El catálogo
Un circuito digital o dispositivo electrónico digital es un dispositivo electrónico que utiliza señales digitales. Se diferencian de los circuitos analógicos porque los circuitos analógicos operan sobre las señales analógicas, mientras que la operación de las señales analógicas es más susceptible a la atenuación de la señal, la tolerancia de fabricación y el ruido. Por lo general, los diseñadores utilizan grandes conjuntos de puertas lógicas en circuitos integrados para fabricar circuitos digitales.
En esta guía amigable, le enseñamos todo sobre los números.El circuito. Sigue leyendo para obtener más información.
Breve historia de los circuitos digitales
En 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz perfeccionó el sistema numérico binario. Leibniz descubrió que mediante el uso de sistemas binarios era posible combinar los principios aritméticos y lógicos. A mediados del siglo XIX, George Boole ideó la filosofía digital que conocemos hoy en día. Más tarde, en 1886, Charles Sanders Pierce explicó cómo los científicos realizaban operaciones lógicas cambiando los circuitos de conmutación electrónica. Luego, los diseñadores comenzaron a usar tubos de vacío en lugar de relés para operaciones lógicas.
Con el desarrollo de las computadoras digitales después de la Segunda Guerra Mundial, el cálculo numérico reemplazó al cálculo analógico. Muy pronto, puramente.Circuitos electrónicos.Los elementos sustituyeron a sus contrapartes mecánicas y electromecánicas.
En 1959, Mohamed Atalla y Dawon Kahng inventaron el transistor MOSFET, que cambió drásticamente la industria electrónica. Desde finales del siglo XX, los transistores MOSFET han desempeñado un papel indispensable en la construcción de circuitos digitales. Actualmente, es el dispositivo semiconductor más popular del mundo.
Inicialmente, cada chip de circuito integrado tenía solo unos pocos transistores. A medida que la tecnología avanza, es posible colocar millones de transistores MOSFET en un solo chip. Hoy en día, los diseñadores pueden colocar miles de millones de transistores MOSFET en un solo chip. Esto demuestra cuánto han progresado los circuitos digitales desde sus primeros días.
Características del circuito digital
Como mencionamos anteriormente, una de las mayores razones por las que los circuitos digitales son altamente accesibles es que es fácil representarlos digitalmente y el ruido no reduce su rendimiento. Por ejemplo, siempre y cuando el sonido capturado durante la transmisión no sea suficiente para bloquear la ruta de reconocimiento, las señales de audio continuas se pueden reconstruir en secuencias de 1 y 0 segundos sin errores.
Para obtener una representación más precisa en un sistema digital, se pueden usar más números binarios para representar señales. Por supuesto, esto requiere más circuitos digitales, pero debido al mismo tipo de hardware que maneja cada número, el sistema se expande fácilmente.La situación del sistema analógico es diferente, requiereMejora fundamentalmente las características de ruido y la linealidad para generar nuevas resoluciones.
Cuando se utiliza un sistema digital controlado por computadora, se pueden añadir más funciones a través de modificaciones de software. En otras palabras, usted no necesita ningún cambio de hardware. Además, puede realizar cualquier mejora en su sistema digital fuera de la fábrica mediante la actualización del software.
Otra característica de los circuitos digitales es que permiten un almacenamiento más fácil de la información. Esto se debe a que los sistemas digitales no se interrumpen y pueden almacenar y recuperar datos sin degradar el rendimiento.
Muchos de los sistemas digitales más recientes suelen convertir sistemas analógicos continuos en señales digitales. Esto puede dar lugar a errores de cuantificación. Para minimizar estos errores, asegúrese de que el sistema digital pueda almacenar suficientes datos digitales para representar la señal con la fidelidad ideal.
3.- Construcción de circuitos digitales
Los ingenieros utilizan varios métodos para construir puertas lógicas. A continuación investigaremos algunas de ellas.
3.1 Construcción de puertas lógicas
Los fabricantes de circuitos digitales generalmente usan pequeños circuitos electrónicos llamados puertas lógicas para crear cursos digitales. Con estas puertas lógicas, es posible crear lógica combinatoria. Cada puerta lógica actúa sobre una señal lógica para realizar la función de lógica booleana. En general, los diseñadores utilizan interruptores de control electrónico para crear puertas lógicas. Por lo general, estos interruptores son transistores. Las válvulas de iones térmicos también pueden ayudar a hacer el mismo trabajo. La salida de una puerta lógica puede alimentarse a otras puertas lógicas o controlarlas.
3.2 Construcción de tablas de búsqueda
El segundo tipo de circuito digital se caracteriza por construir a partir de una tabla de búsqueda. Normalmente, una tabla de búsqueda realiza una función similar a un circuito digital basado en una puerta lógica. Una ventaja significativa de los canales digitales basados en tablas de búsqueda es que los diseñadores pueden reprogramarlos fácilmente sin realizar ningún cambio en el cableado. En otras palabras, los errores de diseño son fáciles de corregir sin necesidad de cambiar la disposición de los cables. Por lo tanto, cuando se trata de pequeños lotes de productos, los diseñadores prefieren dispositivos lógicos programables a otros tipos de circuitos digitales. Al diseñar estos dispositivos lógicos programables, los ingenieros generalmente utilizan software de automatización de diseño.
3.3 Circuitos integrados
Al construir circuitos integrados, los ingenieros utilizan múltiples transistores en un solo chip de silicio. Esta es la forma más económica de crear un gran número de puertas lógicas interconectadas. Por lo general, los diseñadores interconectan los circuitos integrados en una placa de circuito impreso (PCB), una placa de circuito impreso que aloja varios componentes electrónicos y los conecta a través de líneas de cobre.
Diseño de circuitos digitales
Al diseñar circuitos digitales, los ingenieros utilizan varios métodos para reducir la redundancia lógica y, por lo tanto, mantener la complejidad del circuito al mínimo. Pero, ¿por qué es tan importante mantener la complejidad del circuito bajo? La complejidad mínima reduce el número de componentes y evita posibles errores, lo que reduce los costos. Algunas de las técnicas más comunes para reducir la redundancia lógica incluyen el álgebra booleano, los gráficos de decisión binarios, el algoritmo de Quinn-McRoski, los diagramas de Carnot y los métodos heurísticos de la computadora. Los ingenieros de software a menudo usan métodos heurísticos de computadora para realizar estas operaciones.
4.1 Representación
Cuando se trata de diseño de circuitos digitales, la representación es una parte importante.Los ingenieros tradicionales usan un conjunto de puertas lógicas equivalentes para representar un circuito digital, y los diseñadores usan diferentes formas para representar cada símbolo lógico. Los ingenieros también pueden construir un sistema de conmutación electrónica equivalente para representar los circuitos digitales. Las representaciones suelen tener un formato de archivo digital para el análisis automático.
4.1.1 Combinación y secuencia
En la selección de imágenes,Los diseñadores generalmente consideran varios tipos.Sistemas digitales. Los dos sistemas numéricos comunes son el sistema combinado y el sistema de secuencias de tiempo. El sistema combinado proporciona la misma salida para la misma entrada. Los sistemas de secuencias de tiempo, por otro lado, son sistemas combinados que retroalimentan algunas salidas como entradas.
Los sistemas de sincronización también tienen dos subcategorías: sistemas de sincronización y sistemas de sincronización asíncrona, donde los sistemas de sincronización cambian inmediatamente el estado y los sistemas de sincronización asíncrona cambian el estado cada vez que cambia la entrada.
Diseño de computadoras
La computadora es el dispositivo lógico de transmisión de registro más común. Esta máquina es un cálculo binario automático. El generador de secuencias en miniatura ejecuta la unidad de control de red, que en sí es un microprograma. Aunque también hay computadoras asíncronas en el mercado, la gran mayoría de ellas están sincronizadas.
4.2 Problemas de diseño en circuitos digitales
Dado que los ingenieros utilizan componentes analógicos en circuitos electrónicos digitales, las características analógicas de estos componentes pueden interferir con el comportamiento digital requerido. Por lo tanto, el diseño de los canales digitales requiere la gestión de temas como el margen de tiempo, el ruido, la capacitancia y la inducción parasitaria.
4.3 Herramientas de diseño de circuitos digitales
A lo largo de los años, los ingenieros han diseñado máquinas lógicas a gran escala diseñadas para minimizar los costosos esfuerzos de ingeniería. Actualmente, existe un programa informático para este propósito conocido como Herramienta de Automatización de Diseño Electrónico (EDA). Por ejemplo, existe un software de fabricación que puede ser de gran ayuda para los diseñadores de circuitos digitales.
4.4 Circuitos lógicos de prueba
La razón principal por la que los ingenieros prueban los circuitos lógicos es verificar que el diseño cumple con las especificaciones de tiempo y funcionalidad. Es crucial examinar cada copia de un canal digital para asegurarse de que el proceso de fabricación no haya introducido defectos.
Consideraciones de diseño de circuitos digitales
El progreso en el diseño de circuitos digitales es lento pero constante. Seguimos este viaje mirando las diversas series lógicas a continuación.
5.1 Relacionamiento
El diseño original de los canales digitales se caracterizó por la lógica del relé. Este diseño es fiable y barato. Sin embargo, es lento y ocasionalmente se producen fallas mecánicas. Normalmente hay diez ventiladores de arco en los contactos.
5.2 Aspiradores de vacío
La lógica del vacío sigue inmediatamente a la lógica del relé. La principal ventaja de la aspiradora es su velocidad. Sin embargo, el vacío genera mucho calor y el filamento a menudo se quema. El desarrollo de los tubos de computadora en la década de 1950 fue una mejora significativa en el vacío, ya que estos tubos de computadora podían funcionar durante cientos de miles de horas.
5.3 Lógica del transistor de resistencia
Esta es la primera serie de lógica de semiconductores. La lógica de los transistores de resistencia es miles de veces más confiable que los tubos electrónicos. Consume menos energía y tiene una temperatura más baja. Sin embargo, su ventilación es muy baja: 3 en total. Más tarde, la lógica del transistor de diodo aumentó la salida del ventilador a 7, lo que redujo aún más el consumo de energía.
5.4 Transistores – Lógica del transistor
En comparación con la lógica anterior, la lógica transistor-transistor ha mejorado significativamente con un ventilador de 10. Posteriormente, este número se incrementó a 20. La lógica es muy rápida. Esta lógica todavía se usa hoy en día en diseños específicos de circuitos digitales.
5.5 Lógica de acoplamiento del polo de emisión
El modelo de acoplamiento polar de emisión es muy rápido. Sin embargo, esta lógica utiliza una gran cantidad de energía. Esta lógica es ampliamente utilizada por computadoras de alto rendimiento con componentes de tamaño medio.
5.6 Lógica del CMOS
La lógica CMOS es la lógica más popular en los circuitos integrados. La lógica es rápida, proporcionando una alta densidad de circuito y un bajo consumo de energía para cada puerta lógica. Incluso las computadoras grandes y rápidas utilizan esta lógica.
Últimos desarrollos en el campo de los circuitos digitales
Los investigadores en el campo de los circuitos digitales han logrado avances significativos recientemente. He aquí algunos ejemplos:
6.1 Uso de memorias
Por ejemplo, en 2009, los investigadores descubrieron que los resistores de memoria podrían ayudar a lograr el almacenamiento de estado booleano. Esto proporciona una serie lógica completa con un proceso CMOS simple con un consumo de energía y espacio muy reducido.
6.2 Descubrimiento de RSFQ
Los investigadores también descubrieron la superconductividad. Este descubrimiento permitió a los ingenieros desarrollar circuitos cuánticos de un solo flujo rápido (RSFQ) que utilizan nodos Josephson en lugar de transistores. Recientemente, los ingenieros han estado tratando de construir sistemas de computación puramente ópticos que puedan procesar información digital utilizando elementos visuales no lineales.
Resumen.
Los circuitos digitales son el núcleo de la electrónica digital y el procesamiento informático de hoy. Debido a que estos circuitos no son susceptibles al ruido y la degradación de la calidad, son más populares que los circuitos analógicos. A medida que los ingenieros e investigadores trabajan en el campo de los canales digitales, el diseño y el rendimiento de estos dispositivos solo mejoran.
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