Lógica de diodos

La lógica de diodos (o lógica de diodo-resistencia ) construye puertas lógicas AND y OR con diodos y resistencias .

También se requiere un dispositivo activo ( tubos de vacío en las primeras computadoras , luego transistores en la lógica de diodo-transistor ) para proporcionar inversión lógica (NOT) para la completitud funcional y la amplificación para la restauración del nivel de voltaje , que la lógica de diodo por sí sola no puede proporcionar.

Dado que los niveles de voltaje se debilitan con cada etapa de lógica de diodos, no es fácil conectar varias etapas en cascada, lo que limita la utilidad de la lógica de diodos. Sin embargo, la lógica de diodos tiene la ventaja de utilizar solo componentes pasivos baratos .

Las puertas lógicas evalúan el álgebra de Boole , generalmente mediante interruptores electrónicos controlados por entradas lógicas conectadas en paralelo o en serie . La lógica de diodos solo puede implementar OR y AND, porque los inversores (puertas NO) requieren un dispositivo activo.

Artículo principal: Nivel lógico § Lógica de 2 niveles

La lógica binaria utiliza dos niveles lógicos distintos de señales de voltaje que pueden etiquetarse como alto y bajo . En este análisis, los voltajes cercanos a +5 voltios son altos y los voltajes cercanos a 0 voltios ( tierra ) son bajos. La magnitud exacta del voltaje no es crítica, siempre que las entradas sean impulsadas por fuentes lo suficientemente fuertes como para que los voltajes de salida se encuentren dentro de rangos detectablemente diferentes .

Para lógica activa-alta o positiva , alta representa lógica 1 ( verdadero ) y baja representa lógica 0 ( falso ). Sin embargo, la asignación de 1 lógico y 0 lógico a alta o baja es arbitraria y se invierte en lógica activa-baja o negativa, donde baja es 1 lógico mientras que alta es 0 lógico. Las siguientes puertas lógicas de diodo funcionan tanto en lógica activa-alta como activa-baja , sin embargo, la función lógica que implementan es diferente según qué nivel de voltaje se considere activo . La conmutación entre activa-alta y activa-baja se usa comúnmente para lograr un diseño lógico más eficiente.

Los diodos con polarización directa tienen una impedancia baja que se aproxima a un cortocircuito con una pequeña caída de tensión , mientras que los diodos con polarización inversa tienen una impedancia muy alta que se aproxima a un circuito abierto. La flecha del símbolo del diodo muestra la dirección de polarización directa del flujo de corriente convencional .

Cada entrada de una compuerta lógica de diodo se conecta a través de un diodo conectado a una salida lógica compartida por cable . Según el nivel de voltaje de cada entrada y la dirección del diodo, cada diodo puede o no estar polarizado directamente. Si alguno está polarizado directamente, el cable de salida compartido será una pequeña caída de voltaje directa dentro de la entrada del diodo polarizado directamente.

Si ningún diodo está polarizado directamente, entonces ningún diodo proporcionará corriente de excitación para la carga de salida (como una etapa lógica posterior). Por lo tanto, la salida requiere además una resistencia pull-up o pull-down conectada a una fuente de voltaje, de modo que la salida pueda realizar una transición rápida ^[a] y proporcionar una corriente de excitación fuerte cuando ningún diodo está polarizado directamente.

Nota: los siguientes circuitos tienen dos entradas para cada compuerta y, por lo tanto, utilizan dos diodos, pero se pueden ampliar con más diodos para permitir más entradas. Al menos una entrada de cada compuerta debe estar conectada a una fuente de voltaje alto o bajo lo suficientemente fuerte. Si todas las entradas están desconectadas de una fuente fuerte, la salida puede no estar dentro de un rango de voltaje válido.

Cada entrada se conecta al ánodo de un diodo. Todos los cátodos están conectados a la salida, que tiene una resistencia pull-down.

Si alguna entrada es alta, su diodo estará polarizado directamente y conducirá corriente, y por lo tanto elevará el voltaje de salida ^[b] .

Si todas las entradas están bajas, todos los diodos estarán polarizados en sentido inverso y, por lo tanto, ninguno conducirá corriente. La resistencia pull-down reducirá rápidamente el voltaje de salida.

En resumen, si alguna entrada es alta la salida será alta, pero solo si todas las entradas son bajas la salida será baja:

Esto corresponde al OR lógico en lógica activa alta, así como simultáneamente al AND lógico en lógica activa baja.

Este circuito refleja la puerta anterior: los diodos se invierten para que cada entrada se conecte al cátodo de un diodo y todos los ánodos estén conectados entre sí a la salida, que tiene una resistencia pull-up.

Si alguna entrada es baja, su diodo estará polarizado directamente y conducirá corriente, y por lo tanto bajará el voltaje de salida ^[c] .

Si todas las entradas son altas, todos los diodos estarán polarizados en sentido inverso y, por lo tanto, ninguno conducirá corriente. La resistencia pull-up elevará rápidamente el voltaje de salida.

En resumen, si alguna entrada es baja, la salida será baja, pero solo si todas las entradas son altas la salida será alta:

Esto corresponde al AND lógico en lógica activa alta, así como simultáneamente al OR lógico en lógica activa baja.

Para simplificar, a veces se puede suponer que los diodos no tienen caída de tensión ni resistencia cuando están polarizados en directa y resistencia infinita cuando están polarizados en inversa. Pero los diodos reales se aproximan mejor mediante la ecuación del diodo de Shockley , que tiene una relación exponencial de corriente-tensión más complicada llamada ley del diodo .

Los diseñadores deben basarse en la hoja de especificaciones de un diodo , que proporciona principalmente una caída de tensión directa máxima en una o más corrientes directas, una corriente de fuga inversa (o corriente de saturación ) y una tensión inversa máxima limitada por el diodo Zener o la ruptura por avalancha . Por lo general, se incluyen los efectos de la temperatura y la variación del proceso . Ejemplos típicos:

• Diodo de germanio :
  • Tensión directa máxima a 10 mA = 1 voltio a 0 a 85 °C ^[d]
  • Corriente de fuga inversa máxima a 15 voltios = 100 microamperios a 85 °C

• Diodo de silicio :
  • Tensión directa máxima a 10 mA = 1 voltio a 0 a 125 °C
  • Corriente de fuga inversa máxima a 15 voltios = 1 microamperio a 85 °C ^[e]

Los diodos también tienen una respuesta transitoria que puede ser motivo de preocupación. La capacitancia entre el ánodo y el cátodo es inversamente proporcional al voltaje inverso y aumenta a medida que se acerca a 0 voltios y entra en polarización directa.

También existe un problema de recuperación : la corriente de un diodo no disminuirá inmediatamente al cambiar de polarización directa a polarización inversa, porque la descarga de su carga almacenada requiere una cantidad finita de tiempo (t _rr o tiempo de recuperación inversa ). ^[1] En una compuerta OR de diodo, si dos o más de las entradas son altas y una cambia a baja, los problemas de recuperación causarán una caída a corto plazo en el voltaje de salida o aumentarán la corriente en los diodos que permanecen altos. Si una compuerta lógica de diodo-transistor controla un inversor de transistor de construcción similar, el transistor tendrá una capacitancia base-colector similar que se amplifica por la ganancia del transistor, de modo que será demasiado lento para pasar la falla. Pero cuando el diodo es mucho más lento, la recuperación se convertirá en un problema:

En un diseño inusual, se utilizaron pequeños discos de diodos de selenio con transistores de germanio. El tiempo de recuperación de los diodos de selenio, que eran muy lentos, provocó un fallo en la salida del inversor. Se solucionó colocando un diodo de selenio en la unión base-emisor del transistor, lo que le hizo creer que era un transistor de selenio (si es que alguna vez pudo haber uno).

Las puertas lógicas activas generan voltajes dentro de un rango de voltaje preciso, siempre que sus voltajes de entrada se encuentren dentro de un rango de voltaje de entrada válido algo más amplio . Esta restauración de nivel permite más etapas lógicas en cascada y elimina el ruido, lo que facilita la integración a gran escala .

Sin embargo, las puertas lógicas de diodos pasivos acumulan las siguientes pérdidas de voltaje cuando las puertas están conectadas en cascada:

Caída de tensión directa _VF

Los altos voltajes ingresados ​​a cada puerta OR se reducen en V _F ( ~0,6 V en silicio, ~0,3 V en germanio ), mientras que los bajos voltajes ingresados ​​a cada puerta AND se aumentan en V _F.

Resistencia de la fuente

La resistencia de salida de una fuente de voltaje y la resistencia pull-up/down de la compuerta subsiguiente forman un divisor de voltaje que debilita los niveles de voltaje. Esto disminuye los voltajes altos en las compuertas OR y aumenta los voltajes bajos en las compuertas AND.

Por lo tanto, la cantidad factible de conexión en cascada está limitada por el valor de VF _y la diferencia de voltaje alto-bajo. Con diseños especiales, a veces se logran sistemas de dos etapas.

Para compensar la caída de voltaje y proporcionar suficiente corriente para impulsar la carga del siguiente circuito(s), las resistencias pull-up pueden conectarse a una fuente de alimentación más alta que el nivel de voltaje alto nominal y, de manera similar, las resistencias pull-down pueden conectarse a una fuente de alimentación más baja que el voltaje bajo nominal.

Históricamente, la lógica de diodos se utilizó ampliamente en la construcción de las primeras computadoras , ya que los diodos semiconductores podían reemplazar a los voluminosos y costosos tubos de vacío activos . La invención del transistor permitió que los transistores reemplazaran a los tubos como elemento activo en la lógica de diodos-transistores . Como los primeros transistores no eran confiables, la computadora de guía de misiles D-17B , por ejemplo, usaba principalmente lógica de diodos y solo usaba transistores cuando era necesario. Los transistores avanzaron rápidamente para reemplazar la lógica de diodos casi por completo. Sin embargo, la lógica de diodos aún encuentra algunos usos modernos. ^{[ cita requerida ]}

Las salidas push-pull de baja impedancia de los circuitos integrados convencionales no se deben conectar directamente a circuitos externos, ya que pueden crear un cortocircuito entre la alimentación y la tierra. Sin embargo, dichas salidas se pueden utilizar como entradas para puertas lógicas de diodos AND u OR pasivas. Esto evita los costos de agregar puertas lógicas activas. ^[3] Sin embargo, la lógica de diodos degradará los niveles de voltaje y dará como resultado un rechazo de ruido deficiente, por lo que los diseñadores deben conocer los rangos de voltaje y las limitaciones de la familia de lógica interconectada para evitar fallas.

La humorísticamente llamada "Lógica de Mickey Mouse" descrita en el CMOS Cookbook de Don Lancaster sugiere usar diodos como una herramienta múltiple para aumentar las capacidades limitadas de los circuitos integrados CMOS serie 4000 regulares , por ejemplo, usando una puerta OR de diodo para agregar entradas adicionales en un flip-flop , o una puerta AND de diodo para configurar un contador de división por N. ^[4] Un enfoque variante sugiere mantener un suministro de diodos 1N914 con circuitos integrados de disparador Schmitt inversor para proporcionar histéresis y completitud funcional . ^[5]

Una compuerta lógica de diodo OR activa-baja está formada por un teclado que contiene diodos en cada interruptor, todos conectados a una resistencia pull-up compartida. Cuando ningún interruptor está cerrado, la resistencia pull-up mantiene la salida alta. Pero cuando el interruptor de cualquier tecla se conecta a tierra, la salida se vuelve baja. Este resultado OR se puede utilizar como una señal de interrupción para indicar que se ha presionado alguna tecla. Luego, un microcontrolador puede salir del modo de espera de ahorro de energía y escanear la matriz de teclas para determinar qué tecla se presionó específicamente. ^[6]

Durante la década de 1960, el uso de diodos túnel en circuitos lógicos fue un tema de investigación activo. En comparación con las puertas lógicas de transistores de la época, el diodo túnel ofrecía velocidades mucho más altas. A diferencia de otros tipos de diodos, el diodo túnel ofrecía la posibilidad de amplificar señales en cada etapa. Los principios operativos de una lógica de diodo túnel se basan en la polarización del diodo túnel y el suministro de corriente desde las entradas por encima de una corriente umbral, para cambiar el diodo entre dos estados. En consecuencia, los circuitos lógicos de diodo túnel requerían un medio para restablecer el diodo después de cada operación lógica.

Sin embargo, una simple compuerta de diodo túnel ofrecía poco aislamiento entre entradas y salidas y tenía un bajo abanico de entrada y salida . Las compuertas más complejas, con diodos túnel adicionales y fuentes de alimentación de polarización, superaron algunas de estas limitaciones. ^[7] Los avances en la velocidad de los transistores de circuitos discretos e integrados y la naturaleza casi unilateral de los amplificadores de transistores superaron a la compuerta de diodo túnel, lo que resultó en que ya no se use en las computadoras modernas.

• Matriz de diodos
• Lógica transistor-transistor
• Lógica de diodos y transistores
• Lógica de resistencias y transistores
• Conexión lógica cableada

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Lógica de diodos .

• "Controlador de joystick: uso de diodos para crear circuitos de quirófano" por David Cook