Señales digitales: cuándo una tensión representa 0 o 1

Lo que debe poder construir en este curso

Este curso aborda el diseño lógico digital de nivel universitario inicial a un ritmo ágil y permite comprobar los conceptos directamente con circuitos. Basta álgebra de secundaria para empezar; la programación básica ayuda en las prácticas de RTL. Primero conectaremos puertas → circuitos combinacionales → elementos de almacenamiento → máquinas de estados. Las ampliaciones opcionales posteriores añaden caminos de datos e interfaces.

La meta de esta lección va más allá de memorizar «tensión alta significa 1»: debe explicar en qué intervalo y a partir de qué instante se garantiza un valor lógico correcto.

El valor lógico es una interpretación de la tensión

Los circuitos lógicos calculan con $0$ y $1$, pero los conductores tienen tensiones continuas. Se especifica que una entrada de como máximo $V_{IL}$ se interpreta como 0, y una de como mínimo $V_{IH}$, como 1. Entre ambos umbrales no se garantiza ninguna interpretación. La hoja de datos del dispositivo define los umbrales y el intervalo de tensión permitido.

Veamos un circuito didáctico de 3.3 V. Estos valores no son la especificación de un producto concreto.

1.4 V no es un «tercer valor lógico». Está fuera de las condiciones en que el modelo digital garantiza su resultado. Toda transición de 0 a 1 atraviesa ese intervalo; por eso también importa cuándo se observa la salida.

Margen entre la salida garantizada y los umbrales de entrada

Supongamos una salida baja máxima del transmisor $V_{OL}=0.2\,\mathrm V$ y una salida alta mínima $V_{OH}=2.8\,\mathrm V$. Los márgenes de ruido^{iMargen de ruido Diferencia entre las tensiones de salida garantizadas por el transmisor y los umbrales de entrada del receptor. Se calcula a partir de las especificaciones estáticas de tensión.} son:

Incluso con +0.4 V de ruido en la salida baja, la entrada queda en 0.6 V y sigue en el intervalo bajo. Son márgenes estáticos, suponiendo que se cumplen las especificaciones de tensión y carga. Este único número no permite evaluar pulsos breves ni reflexiones en el cableado.

Compruebe conjuntamente función y tiempo

Con entradas 11, AND produce 1, pero no se garantiza que lo haga en el mismo instante del cambio. Sume los retardos máximos de las puertas de cada camino y tome el mayor de esos totales. Dos puertas en serie con máximos de 2 ns y 3 ns requieren, en este modelo, esperar hasta 5 ns desde que las entradas se estabilizan.

Una entrada desconectada tampoco equivale a aplicar 0. En el simulador, X representa un valor desconocido y Z un estado de alta impedancia; ninguno corresponde de forma unívoca a una tensión física. Los botones de este curso usan un modelo de valores 0/1 estables.

Lectura adicional: MIT OpenCourseWare — The Digital Abstraction

Práctica · Cruce el límite del margen de ruido

1. Seleccione transmitir 0. La salida se fija en el peor caso de nivel bajo, 0.20 V. Con +0.60 V de ruido, el receptor recibe 0.80 V y aún garantiza 0.
2. Pulse la flecha derecha para añadir 10 mV. A 0.81 V, el resultado pasa a «sin garantía». Eso no significa que se convierta inmediatamente en 1.
3. Al transmitir 1, reste ruido de la salida de 2.80 V. Con −0.80 V todavía se garantiza recibir 1; con −0.81 V, ya no.
4. Un ruido mayor puede llevar la tensión al intervalo válido opuesto. Aunque el receptor reconozca un valor lógico válido, el dato transmitido puede haberse alterado. Tensión válida y dato correcto son condiciones distintas.

La práctica no recorta las entradas fuera de 0–VDD para hacerlas válidas. Consulte por separado en la hoja de datos el intervalo de entrada permitido, la corriente de protección y las condiciones de pulsos transitorios. Este modelo no predice daños ni la respuesta dinámica de un dispositivo concreto.