La lógica de diodos (o lógica de diodos-resistencia ) construye puertas lógicas Y y O con diodos y resistencias .
Además, 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 integridad funcional y 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 la lógica de diodo, no se pueden conectar en cascada múltiples etapas, lo que limita la utilidad de la lógica de diodo. Sin embargo, la lógica de diodos tiene la ventaja de utilizar únicamente componentes pasivos baratos .
Las puertas lógicas evalúan el álgebra booleana , normalmente utilizando interruptores electrónicos controlados por entradas lógicas conectadas en paralelo o en serie . La lógica de diodo solo puede implementar O y Y, porque los inversores (NO las puertas) 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 esta discusión, 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 detectables diferentes .
Para lógica activa alta o positiva , alta representa la lógica 1 ( verdadero ) y baja representa la lógica 0 ( falso ). Sin embargo, la asignación de 1 lógico y 0 lógico a alto o bajo es arbitraria y se invierte en lógica activa-baja o negativa, donde bajo es 1 lógico mientras que alto es 0 lógico. Las siguientes puertas lógicas de diodos funcionan tanto en modo activo-alto como en modo alto. Lógica activa-baja , sin embargo la función lógica que implementan es diferente dependiendo de qué nivel de voltaje se considera activo . El cambio entre activo-alto y activo-bajo 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 voltaje , 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 polarizada directa del flujo de corriente convencional .
Cada entrada de una puerta lógica de diodo se conecta a través de un diodo conectado a una salida lógica cableada compartida . Dependiendo del nivel de voltaje de cada entrada y la dirección del diodo, cada diodo puede o no tener polarización directa. Si alguno tiene polarización directa, el cable de salida compartido será una pequeña caída de voltaje directo dentro de la entrada del diodo con polarización directa.
Si ningún diodo tiene polarización directa, ningún diodo proporcionará corriente de accionamiento para la carga de salida (como una etapa lógica posterior). Por lo tanto, la salida requiere adicionalmente 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 fuerte corriente impulsora cuando no hay diodos con polarización directa.
Nota: los siguientes circuitos tienen dos entradas para cada puerta y, por lo tanto, utilizan dos diodos, pero se pueden ampliar con más diodos para permitir más entradas. Al menos una entrada de cada puerta debe estar conectada a una fuente de voltaje alto o bajo lo suficientemente potente. Si todas las entradas están desconectadas de una fuente potente, es posible que la salida no se encuentre 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 desplegable.
Si alguna entrada es alta, su diodo tendrá polarización directa y conducirá corriente y, por lo tanto, elevará el voltaje de salida [b] .
Si todas las entradas son bajas, todos los diodos tendrán polarización inversa y, por lo tanto, ninguno conducirá corriente. La resistencia desplegable 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 de modo que cada entrada se conecta al cátodo de un diodo y todos los ánodos están conectados entre sí a la salida, que tiene una resistencia pull-up.
Si alguna entrada es baja, su diodo tendrá polarización directa y conducirá corriente y, por lo tanto, bajará el voltaje de salida [c] .
Si todas las entradas son altas, todos los diodos tendrán polarización inversa 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 sólo si todas las entradas son altas la salida será alta:
Esto corresponde al AND lógico en lógica activa alta, así como al mismo tiempo al O lógico en lógica activa baja.
Para simplificar, a veces se puede suponer que los diodos no tienen caída de voltaje ni resistencia cuando están polarizados en directa y resistencia infinita cuando están en polarización inversa. Pero los diodos reales se aproximan mejor mediante la ecuación del diodo de Shockley , que tiene una relación exponencial corriente-voltaje más complicada llamada ley del diodo .
Los diseñadores deben confiar en la hoja de especificaciones de un diodo , que proporciona principalmente una caída máxima de voltaje directo en una o más corrientes directas, una corriente de fuga inversa (o corriente de saturación ) y un voltaje inverso máximo limitado por Zener o ruptura de avalancha . Generalmente se incluyen los efectos de la temperatura y la variación del proceso . Ejemplos típicos:
Los diodos también tienen una respuesta transitoria que podría ser motivo de preocupación. La capacitancia entre el ánodo y el cátodo es inversamente proporcional al voltaje inverso, creciendo a medida que se acerca a 0 voltios y hacia la polarización directa.
También existe un problema de recuperación : la corriente de un diodo no disminuirá inmediatamente cuando se cambia de polarización directa a polarización inversa, porque descargar su carga almacenada requiere una cantidad de tiempo finita (t rr o tiempo de recuperación inversa ). [1] En un diodo O puerta, si dos o más de las entradas están 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 puerta lógica de diodo-transistor impulsa un inversor de transistor de construcción similar, el transistor tendrá una capacitancia de colector de base similar que será amplificada por la ganancia del transistor, de modo que será demasiado lento para pasar el fallo. Pero cuando el diodo es mucho más lento, la recuperación se convertirá en una preocupación:
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 son muy lentos, provocó un fallo en la salida del inversor. Se solucionó colocando un diodo de selenio a través de la unión base-emisor del transistor, lo que hizo pensar que era un transistor de selenio (si es que alguna vez podría haber uno).
Las puertas lógicas activas emiten voltajes dentro de un rango de voltaje preciso, siempre que sus voltajes de entrada estén 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 muy gran escala .
Sin embargo, las puertas lógicas de diodos pasivos acumulan las siguientes pérdidas de voltaje cuando las puertas están en cascada:
Por lo tanto, la cantidad factible de cascada está limitada por el valor de V F y la diferencia de voltaje alto-bajo. Con diseños especiales se consiguen a veces sistemas de dos etapas.
Para compensar la caída de voltaje y proporcionar suficiente corriente para impulsar la carga del siguiente circuito, las resistencias pull-up se pueden conectar a una fuente superior al nivel de alto voltaje nominal y, de manera similar, las resistencias pull-down se pueden conectar. a un suministro inferior a la baja tensión nominal.
Históricamente, la lógica de diodos se utilizó ampliamente en la construcción de las primeras computadoras , ya que los diodos semiconductores podían reemplazar 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 diodo-transistor . Dado que 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 casi por completo la lógica de diodos. Sin embargo, la lógica de diodos todavía encuentra algunos usos modernos. [ cita necesaria ]
Las salidas push-pull de baja impedancia de los circuitos integrados convencionales no deben conectarse directamente a circuitos externos, ya que pueden crear un cortocircuito entre la alimentación y tierra. Sin embargo, dichas salidas se pueden utilizar como entradas para puertas lógicas de diodos pasivos AND u OR. Esto evita los costos de agregar puertas lógicas activas. [3] Sin embargo, la lógica de diodo degradará los niveles de voltaje y dará como resultado un rechazo deficiente del ruido, por lo que los diseñadores deben conocer los rangos y limitaciones de voltaje de la familia lógica interconectada para evitar fallas.
El nombre humorístico "Micky Mouse Logic" descrito en el libro de cocina CMOS de Don Lancaster sugiere el uso de diodos como una herramienta múltiple para aumentar las capacidades limitadas de los circuitos integrados CMOS de la serie 4000 , por ejemplo, mediante el uso de una puerta OR de diodo para agregar entradas adicionales. en un flip-flop o una puerta AND de diodo para configurar un contador dividido por N. [4] Un enfoque alternativo sugiere mantener un suministro de diodos 1N914 con circuitos integrados de disparador Schmitt invertidos para proporcionar histéresis e integridad funcional . [5]
Una puerta lógica de diodo O activo-bajo está formada por un teclado que contiene diodos en cada interruptor, todos conectados a una resistencia pull-up compartida. Cuando no hay ningún interruptor cerrado, el pull-up mantiene la salida alta. Pero cuando el interruptor de cualquier tecla se conecta a tierra, la salida baja. Este resultado OR se puede utilizar como 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 las señales en cada etapa. Los principios operativos de la lógica de un diodo túnel se basan en la polarización del diodo túnel y el suministro de corriente desde las entradas por encima de un umbral de corriente, 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 puerta de diodo de túnel simple ofrecía poco aislamiento entre entradas y salidas y tenía un ventilador de entrada y salida bajo . Puertas más complejas, con diodos de túnel adicionales y fuentes de alimentación polarizadas, superaron algunas de estas limitaciones. [7] Los avances en la velocidad de los transistores de circuitos discretos e integrados y la naturaleza más casi unilateral de los amplificadores de transistores superaron a la puerta de diodo de túnel, lo que provocó que ya no se utilizara en las computadoras modernas.
