Puertas lógicas: características, tipos y aplicaciones prácticas

Las puertas lógicas son dispositivos electrónicos que realizan operaciones lógicas básicas. La lógica se basa en el razonamiento humano que determina si una proposición es cierta o falsa dependiendo de ciertas condiciones. Este razonamiento se aplica a los circuitos digitales, que tienen solo dos estados posibles: 0 y 1.

Las puertas lógicas son esenciales para el funcionamiento de microprocesadores, placas base y memoria interna para el procesamiento y transferencia de información.

• Microprocesadores: Las puertas lógicas se usan para construir sumadores y realizar operaciones aritméticas y lógicas dentro de la Unidad Aritmético-Lógica (ALU). También se utilizan en contadores y registros para almacenar y gestionar datos.
• Placas base: En las placas base, las puertas lógicas facilitan la decodificación de direcciones y el control de interfaces de entrada/salida. Además, ayudan a gestionar las señales de reloj para sincronizar los componentes.
• Memoria interna: En la memoria RAM, las puertas lógicas gestionan la lectura y escritura de datos en las celdas de memoria. También se utilizan en la memoria caché para manejar y controlar los datos.

1. Características físicas de las puertas lógicas

Las puertas lógicas suelen encontrarse en circuitos integrados (ICs), ambién conocido como chip o microchip, que pueden contener múltiples puertas. Estos ICs tienen pines de entrada y salida, cuyo número varía según el tipo de puerta. Están identificados por códigos impresos que indican el tipo de puerta y el fabricante. Los ICs son pequeños, de forma rectangular o cuadrada, y están diseñados para ser montados en una placa de circuito impreso (PCB).

2. Tipos de puertas lógicas

Existen varios tipos de puertas lógicas que permiten implementar diversas funciones lógicas. Una función lógica se refiere a la operación que realiza una puerta lógica o un conjunto de puertas lógicas. Cuando en una función lógica decimos que hay un «1», significa que hay un voltaje alto presente, y cuando hay un «0», significa que el voltaje es bajo o inexistente. Estos niveles de voltaje determinan cómo se comportan las puertas lógicas para realizar operaciones como AND, OR, NOT, etc.

A continuación, se describen los tipos más comunes, sus símbolos y tablas de verdad.

En las expresiones lógicas, el símbolo de negación se representa de dos maneras: Línea superior: Se coloca una línea encima del término que se desea negar. Comilla: Se utiliza una comilla simple después del término a negar. En este tutorial para la negación vamos a utilizar la comilla. Por ejemplo, la negación de A se escribe como A′.

2.1. Puerta lógica NOT o inversor

La puerta lógica NOT, también conocida como inversor, realiza una operación de inversión o complementación. Esta operación cambia el nivel lógico de la entrada a su opuesto, transformando un 0 en 1 y viceversa. Las puertas NOT tienen una única entrada y una salida.

Su aplicación más común es la inversión de señales.

Símbolo puerta lógica NOT o inversor:

Tabla de verdad puerta lógica NOT o inversor:

A	S
0	1
1	0

Operación puerta lógica NOT o inversor: S = A‘, donde A’ denota la negación de A.

2.2. Puerta lógica AND

La puerta lógica AND realiza la operación de multiplicación lógica. El funcionamiento de una puerta lógica AND es el siguiente:

• Si alguna de sus entradas es 0, la salida es 0 (nivel bajo).
• Solo si ambas entradas son 1, la salida es 1 (nivel alto).

Entre sus aplicaciones más comunes se encuentra la necesidad de que se cumplan ambas condiciones de entrada (A = 1 y B = 1) para que la salida sea 1.

Símbolo puerta lógica NAND:

Tabla de verdad puerta lógica NAND:

A	B	S
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Operación puerta lógica NAND: S = AB.

2.3. Puerta lógica OR

La puerta lógica OR realiza la operación de suma lógica. Esta puerta, junto con otras básicas, permite implementar todas las funciones lógicas. Puede tener dos o más entradas y una salida. El funcionamiento de la puerta OR es el siguiente:

• Si al menos una de sus entradas es 1, la salida será 1.
• Solo si todas las entradas son 0, la salida será 0.

Entre sus aplicaciones más comunes se encuentra la necesidad de que se cumpla al menos una de las condiciones de entrada (A = 1 o B = 1) para que la salida sea 1. Esto es útil en sistemas donde múltiples condiciones pueden activar una acción.

Símbolo puerta lógica OR:

Tabla de verdad puerta lógica OR:

A	B	S
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Operación puerta lógica OR: S = A + B.

2.4. Puerta lógica XOR (OR-exclusiva)

La puerta lógica XOR (OR-exclusiva) se basa en la combinación de otras puertas lógicas. Esta puerta tiene dos entradas y una salida. Su funcionamiento es el siguiente:

• Si las entradas son iguales, la salida es 0.
• Si las entradas son diferentes, la salida es 1.

Su aplicación más común es su uso en circuitos aritméticos y de control donde se requiere la verificación de la igualdad o desigualdad de dos señales.

Símbolo de la puerta lógica XOR:

Tabla de verdad puerta lógica XOR:

A	B	S
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Operación lógica XOR: S = AB' + A'B.

2.5. Puerta lógica NAND

La puerta lógica NAND es la inversa de la puerta AND, es decir, realiza la función AND y luego niega (complementa) la salida. En la puerta lógica NAND, la salida será 1 si al menos una de las entradas es 0. En caso contrario, la salida será 0.

La puerta NAND es el complemento de la puerta AND. De hecho, una puerta NAND se puede implementar utilizando una puerta AND seguida de una puerta NOT.

Símbolo puerta lógica NAND:

Tabla de verdad puerta lógica NAND:

A	B	S
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Operación lógica NAND: S = (AB)‘.

2.6. Puerta Lógica NOR

La puerta lógica NOR combina una puerta OR con una puerta NOT, lo que la convierte en la inversa de la puerta OR. En la puerta NOR, la salida será 1 solo si ambas entradas son 0. Si alguna de las entradas es 1, la salida será 0.

La puerta NOR es el complemento de la puerta OR. De hecho, una puerta NOR se puede implementar utilizando una puerta OR seguida de una puerta NOT.

Símbolo puerta lógica NOR:

Tabla de verdad de la puerta lógica NOR:

A	B	S
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Operación lógica NOR: S = (A + B)'.

2.7. Puerta XNOR (NOR-exclusiva)

La puerta lógica XNOR, al igual que la puerta XOR, tiene dos entradas. Sin embargo, la XNOR produce la salida opuesta a la de la XOR. La salida de la puerta XNOR será 1 cuando las entradas sean iguales, y 0 cuando las entradas sean diferentes.

La puerta XNOR es el complemento de la puerta XOR. Una puerta XNOR se puede implementar utilizando una puerta XOR seguida de una puerta NOT.

Símbolo de la puerta XNOR:

Tabla de verdad de la puerta lógica XNOR:

A	B	S
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Operación lógica XNOR: S = AB + A'B'.

3. Ejemplos de aplicaciones prácticas

3.1. Aplicación práctica de puertas lógicas: Control para una luz de alarma

Imaginemos que estás diseñando un sistema de control para una luz de alarma en un sistema de seguridad. La luz de alarma debe encenderse solo bajo ciertas condiciones específicas:

Ejemplo de configuración del circuito:

• Sensores de movimiento: Sensor A y Sensor B
• Alarma de intrusión: Se activa cuando ambos sensores detectan movimiento.
• Advertencia temprana: Se activa cuando al menos uno de los sensores detecta movimiento.

Puertas lógicas:

1. La puerta AND: La alarma se activa solo si ambos sensores de movimiento detectan una intrusión (es decir, ambos sensores deben estar activos). Esto se implementa con una puerta AND que recibe las señales de los sensores.
2. La puerta OR: La alarma debe sonar si uno de los dos sensores de movimiento detecta una intrusión, independientemente de la otra. Esto se puede usar para una alerta temprana, donde la puerta OR recibe las señales de los sensores y activa una señal de advertencia preliminar.
3. La puerta NOT: La puerta NOT se puede usar para invertir la señal de un sensor para crear una lógica de «no intrusión». Por ejemplo, si un sensor está desactivado, una puerta NOT invertirá esta señal para activar una señal de «sin intrusión».
4. La puerta XOR: Puede usarse en un sistema donde quieres detectar situaciones en las que solo uno de los dos sensores está activado, pero no ambos. La puerta XOR generará una señal cuando solo un sensor detecte una intrusión, ayudando a identificar intrusiones específicas.
5. La puerta NAND: Se puede utilizar para garantizar que la alarma se desactive a menos que ambas entradas (sensores) estén activas. La puerta NAND asegurará que la alarma solo se active si ambas señales no están presentes.
6. La puerta NOR: Puede utilizarse para crear una señal de alarma de “estado seguro” que esté encendida solo cuando ambos sensores estén inactivos. Esto asegura que no haya alarmas cuando no hay intrusión.
7. La puerta XNOR: En un sistema donde se desea que una luz de alarma se encienda solo cuando ambos sensores estén en el mismo estado (ambos detectan intrusión o ninguno detecta intrusión), una puerta XNOR puede usarse para este propósito.

3.2. Aplicación práctica de puertas lógicas: Encendido de ventiladores de un motor

Imaginemos que estás diseñando un sistema de control para ventiladores que enfrían un motor en una máquina industrial. El objetivo es que los ventiladores se enciendan bajo ciertas condiciones para evitar el sobrecalentamiento del motor.

Ejemplo de configuración del circuito:

1. Sensores de Temperatura (T) y Presión (P): El sistema utiliza sensores para monitorear tanto la temperatura del motor como la presión en el sistema. En sistemas de refrigeración de motores, la presión del sistema se refiere a la presión dentro del circuito de refrigeración del motor. Si la presión excede un nivel seguro, esto podría indicar un problema en el sistema de enfriamiento que podría requerir la activación de ventiladores adicionales para disipar el calor y reducir la presión.
2. Ventilador principal: Debe encenderse si la temperatura del motor supera un cierto umbral o si la presión en el sistema es alta.
3. Ventilador de respaldo: Debe encenderse si ambos sensores de temperatura y presión detectan niveles críticos al mismo tiempo.

Puertas lógicas utilizadas:

1. Puerta OR: Para encender el ventilador principal si al menos uno de los sensores detecta un problema (temperatura alta o presión alta). La salida de la puerta OR controla el ventilador principal.
2. Puerta AND: Para encender el ventilador de respaldo solo si ambos sensores detectan condiciones críticas simultáneamente. La salida de la puerta AND controla el ventilador de respaldo.
3. Puerta NOT: Para crear una señal de “bajo riesgo” al invertir la señal de los sensores y activar una luz indicadora si las condiciones están dentro de los niveles normales.
4. Puerta XOR: Para monitorear condiciones donde solo uno de los sensores debería estar activado para alertas específicas. La salida de la puerta XOR puede utilizarse para generar una señal de advertencia si sólo uno de los sensores detecta un problema.
5. Puerta NAND: Para asegurarse de que el ventilador principal solo se desactive si ambas señales están en un estado seguro. La salida de la puerta NAND puede ser utilizada para una señal de control que apague el ventilador principal cuando ambos sensores están en niveles normales.
6. Puerta NOR: Para crear una señal que se activa solo cuando ambos sensores están en niveles normales, indicando que no hay necesidad de ventilación adicional. Esta señal puede ser utilizada para encender una luz verde indicando que el sistema está funcionando normalmente.
7. Puerta XNOR: Para asegurar que el ventilador de respaldo se encienda solo si ambos sensores están en el mismo estado (ambos detectan condiciones críticas o ambos están en niveles normales). La salida de la puerta XNOR controla el ventilador de respaldo en función de las condiciones de los sensores.

3.3. Aplicación práctica de puertas lógicas: Circuito lógico de sistema de alarma con botón de pánico, modo salida y detectores

El siguiente circuito lógico de un sistema de alarma está diseñado para activarse cuando el sistema de seguridad está habilitado, no está en modo salida, y cualquiera de las ventanas, puertas o el garaje está abierto. Además, la alarma se puede activar inmediatamente mediante el botón de pánico. Los sensores de ventana, puerta y garaje están invertidos, de manera que un estado de «abierto» (0) se convierte en un 1 lógico, permitiendo que las puertas AND combinen estas condiciones con el estado habilitado y no en modo salida para activar la alarma a través de una puerta OR final.

Descripción detallada del circuito:

1. Botón de pánico: Activará la alarma inmediatamente cuando se presione.
2. Sistema habilitado: Indica si el sistema de alarma está activo.
3. Modo salida: Permite una breve ventana de tiempo para que los usuarios salgan de la propiedad sin activar la alarma (invertido).
4. Ventana: Indica si una ventana está abierta o cerrada (invertido).
5. Puerta: Indica si una puerta está abierta o cerrada (invertido).
6. Garaje: Indica si la puerta del garaje está abierta o cerrada (invertido).

Estados y valores de cada entrada:

• Botón de pánico (panic):
  • Estado normal: 0 (No presionado)
  • Estado activado: 1 (Presionado)
• Sistema habilitado (enable):
  • Estado normal: 0 (Deshabilitado)
  • Estado activado: 1 (Habilitado)
  • Estado invertido (Enable’): 0 (cuando el sistema está habilitado), 1 (cuando el sistema está deshabilitado)
• Modo salida (exiting):
  • Estado normal: 0 (No en modo salida)
  • Estado activado: 1 (En modo salida)
  • Estado invertido (Exiting’): 0 (cuando está en modo salida), 1 (cuando no está en modo salida)
• Ventana:
  • Estado normal: 1 (Cerrada)
  • Estado activado: 0 (Abierta)
  • Estado invertido (Window’): 1 (cuando la ventana está abierta), 0 (cuando la ventana está cerrada)
• Puerta:
  • Estado normal: 1 (Cerrada)
  • Estado activado: 0 (Abierta)
  • Estado invertido (Door’): 1 (cuando la puerta está abierta), 0 (cuando la puerta está cerrada)
• Garaje:
  • Estado normal: 1 (Cerrado)
  • Estado activado: 0 (Abierto)
  • Estado invertido (Garage’): 1 (cuando el garaje está abierto), 0 (cuando el garaje está cerrado)

Funcionamiento del circuito:

• Botón de pánico:
  • Si Panic = 1 (presionado), la alarma se activa directamente, independientemente del estado de las otras entradas.
• Condiciones combinadas de sensores:
  • La alarma se activará si:
    • El sistema está habilitado (Enable = 1).
    • El sistema no está en modo salida (Exiting = 0).
    • Cualquiera de las siguientes condiciones es verdadera:
    • Ventana abierta (Window = 0, por lo tanto, Window’ = 1).
    • Puerta abierta (Door = 0, por lo tanto, Door’ = 1).
    • Garaje abierto (Garage = 0, por lo tanto, Garage’ = 1).

Explicación de las puertas lógicas:

Puertas NOT:

• Sistema habilitado (Enable): La señal se invierte, por lo tanto, Enable’ = 0 cuando el sistema está habilitado.
• Modo salida (Exiting): La señal se invierte, por lo tanto, Exiting’ = 0 cuando está en modo salida.
• Ventana (Window): La señal se invierte, por lo tanto, Window’ = 1 cuando la ventana está abierta.
• Puerta (Door): La señal se invierte, por lo tanto, Door’ = 1 cuando la puerta está abierta.
• Garaje (Garage): La señal se invierte, por lo tanto, Garage’ = 1 cuando el garaje está abierto.

Puertas AND (cada puerta AND tiene tres entradas para evaluar las condiciones lógicas simultáneamente):

• Primera puerta AND:
  • Entradas: Enable, Exiting’, Window’
  • Salida: 1 si el sistema está habilitado, no en modo salida, y la ventana está abierta.
• Segunda puerta AND:
  • Entradas: Enable, Exiting’, Door’
  • Salida: 1 si el sistema está habilitado, no en modo salida, y la puerta está abierta.
• Tercera puerta AND:
  • Entradas: Enable, Exiting’, Garage’
  • Salida: 1 si el sistema está habilitado, no en modo salida, y el garaje está abierto.

Puerta OR final:

• Combina las salidas de las tres puertas AND y el botón de pánico.
• La alarma se activará si cualquiera de estas condiciones es verdadera.

4. Puertas lógicas en microprocesadores

Las puertas lógicas son componentes fundamentales en la arquitectura de los microprocesadores y las placas base. Estas puertas realizan operaciones lógicas básicas (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR) que son esenciales para el procesamiento de datos y el control de las operaciones en sistemas digitales. A continuación, se presenta una descripción detallada de cómo estas puertas se utilizan en microprocesadores.

1. Unidad Aritmético-Lógica (ALU):
   • La ALU es la parte de un microprocesador que realiza operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación, división) y lógicas (AND, OR, NOT, XOR). Por ejemplo, una operación de suma se lleva a cabo utilizando una serie de puertas lógicas, como las puertas AND y OR, en un sumador completo.
2. Controlador de instrucciones:
   • Los microprocesadores utilizan puertas lógicas para decodificar y ejecutar instrucciones. El decodificador de instrucciones convierte las señales binarias en señales de control específicas mediante puertas lógicas. Por ejemplo, una instrucción de salto condicional en ensamblador puede implicar puertas lógicas para evaluar condiciones y dirigir el flujo del programa.
3. Registros y memoria caché:
   • Los registros temporales y la memoria caché utilizan puertas lógicas para almacenar y recuperar datos rápidamente. Las operaciones de lectura/escritura en estos componentes se gestionan mediante puertas NAND y NOR, que son básicas para la construcción de celdas de memoria SRAM.

5. Ejercicios resueltos sobre circuitos lógicos combinacionales con puertas lógicas

Veamos dos tipos de aplicaciones que se pueden realizar con puertas lógicas. La primera, consiste en obtener la expresión de salida de un circuito lógico combinacional realizado con puertas lógicas de diferentes tipos (NOR, AND, XOR, etc). La segunda, dada una expresión de salida de un circuito lógico, obtendremos el diagrama lógico formado por las puertas lógicas necesarias.

5.1. Ejercicio: Obtener función a partir de puertas lógicas

Obtener la expresión de salida de los circuitos lógicos combinacionales formados por puertas lógicas, de la siguiente figura.

Solución al apartado a

Obtenemos el valor de la salida en la puerta lógica AND, siendo su valor el producto de las entradas A y B, por lo tanto la salida es AB. En segundo lugar, obtenemos el valor a la salida de la puerta OR, realizando la suma lógica de sus entradas. En una entrada de la puerta lógica OR se encuentra B y en la otra entrada se encuentra el valor de la salida de la puerta AND, es decir, AB. Por lo tanto, el valor de la salida S del circuito de este primer apartado es: S = AB + B

Solución al apartado b

Cuando el circuito está formado por varias puertas lógicas, se puede ir calculando paso a paso, nombrando la salida de cada una de ellas para simplificar los pasos. La salida de la puerta lógica OR (U3) es A + B, mientras que la salida de la puerta lógica AND (U4) es AB. Seguidamente, calculamos el valor de OR: S = A + B + AB

Solución al apartado c

En este otro ejemplo, procedemos de la misma manera que en el anterior apartado, etiquetando las salidas de las puertas lógicas que hay en el circuito. La salida de la puerta lógica AND (U6) es: AB Mientras que la salida de la puerta lógica OR (U7) es: AB + B En la puerta NOT (U9), la salida es: B'. Finalmente, la salida es: S = (AB+B)B'

5.2. Ejercicio: Obtener circuito teniendo la función lógica de salida 

Utiliza la herramienta online de Visual Paradigm (online.visual-paradigm.com/es/) para implementar las siguientes expresiones. Regístrate con tu cuenta de correo del instituto. 

1. Selecciona «New/Diagrams» y usa el buscador para encontrar los diagramas «Logic Diagram». 
2. También puedes buscar y añadir puertas lógicas mediante el mismo buscador. 
3. Para añadir textos, utiliza la búsqueda de “Text”. 

Arrastra y suelta los elementos sobre el lienzo usando la interfaz. Si el idioma predeterminado no es español, cambia el idioma desde el menú de tres rayas seleccionando «Idioma». 

a) S = (A+B) + (AB) 

b) S= AA’ + BB’ 

Solución al apartado a:

Solución al apartado b:

5.3. Ejercicio tipo test sobre puertas lógicas