Puertas lógicas: qué son y para qué sirven

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Las puertas lógicas son, por decirlo de algún modo, los bloques esenciales sobre los que están construidos los circuitos digitales, tanto los implementados en circuitos impresos como los implementados en circuitos integrados. Estas puertas no son reales, simplemente se trata de símbolos que representan una función lógica, pero que realmente están implementadas por distintos componentes electrónicos elementales (transistores, resistencias, condensadores,…) según la familia lógica empleada (TTL, RTL, EDL, CMOS,…).

En este artículo conocerás todo lo que tienes que saber sobre estas funciones lógicas y también sobre las puertas lógicas, ya que son esenciales para la ingeniería electrónica e informática.

¿Qué es una función lógica?

Antes de saber qué es una puerta lógica es importante saber qué es una función lógica, ya que son las operaciones matemáticas de carácter lógico que estas puertas o símbolos representan.

Una función lógica es una operación matemática que puede manipular datos binarios (unos y ceros, es decir, bits) y generar un resultado basado en la entrada de dichos datos. Las operaciones son lógicas, como puede ser NOT, NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, etc. Estos valores booleanos (verdad o falso, abierto o cerrado, alto o bajo, 1 o 0) se emplean en la electrónica digital para implementar todo tipo de circuitos, como las memorias, los procesadores, etc.

Las puertas lógicas son un tipo de circuito digital elemental que funciona basado en la lógica booleana, y cada símbolo o puerta lógica representará una de estas funciones lógicas de las que hablamos.

¿Qué es la electrónica digital?

La electrónica digital es una electrónica que utiliza tensiones discretas (a diferencia de la electrónica analógica, que utiliza tensiones continuas). El tipo más común de electrónica, ya que con el sistema binario se puede hacer prácticamente de todo, como vemos con las actuales computadoras y demás dispositivos electrónicos que empleamos a diario.

Cuando hablamos de tensiones discretas nos referimos a que pueden ser altas (por encima de un determinado umbral) o bajas (por debajo de un determinado umbral), es decir, serían 1s y 0s respectivamente. De esta forma, mediante electricidad se pueden representar los bits de información. Y el cómo serán tratados dichos bits se lo debemos a las puertas lógicas y registros que compondrán los circuitos combinacionales y secuenciales:

• Combinacionales: es todo sistema lógico en el que sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas o de las salidas.
• Secuencial: los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno.

Unidades como la CPU están compuestos por estos circuitos electrónicos digitales, tanto combinacionales como secuenciales. Y estos circuitos combinacionales están compuestos a su vez por puertas lógicas…

Señales digitales

Una señal digital es una señal que puede tomar dos estados posibles: alto y bajo, es decir, encendida o apagada, 1 o 0. Las señales digitales no tienen la misma amplitud que una señal analógica (es decir, tienen un valor finito, que puede ser 0 o 1). De esta forma, mediante electricidad se puede interpretar el sistema binario. Por ejemplo, con el sistema binario se podría representar una instrucción o un dato que componen los programas informáticos, además de archivos de todo tipo, etc.

¿De qué se componen las puertas lógicas?

Ya lo he comentado anteriormente, pero es interesante volverlo a recordar. Una puerta lógica no es nada real, solo un símbolo que representa una función. Sin embargo, estas puertas lógicas se pueden implementar electrónicamente con una serie de componentes electrónicos esenciales, como las resistencias, transistores, condensadores, etc.

Dependiendo de la familia lógica, las puertas estarán constituidas de unos u otros de esos elementos. Por ejemplo, en la imagen superior tenemos una misma puerta AND en lógica CMOS y en TTL. Como se aprecia, la lógica CMOS, empleada en la mayoría de chips de la actualidad, solo se emplean transistores tipo MOSFET. Mientras que en la TTL se emplean transistores bipolares y también resistencias.

Ambos esquemas tienen dos entradas, A y B para esta puerta AND, y una salida Output o Vo. Según sea la tensión eléctrica aplicada a sus entradas, así será la salida. Para saber cómo trabaja la AND, te invito a seguir leyendo los siguientes apartados donde describiré las puertas lógicas y sus funciones…

Familias lógicas

Hay una gran variedad de familias lógicas entre las que elegir a la hora de implementar el circuito impreso o circuito integrado. Muchos de los chips actuales emplean lógica CMOS, aunque también existen otros chips que emplean otro tipo de familias lógicas. De la familia va a depender en gran medida, no solo los componentes necesarios, sino también el consumo, rendimiento, etc.

TTL

TTL (Transistor-Transistor Logic) es una familia lógica que utiliza transistores bipolares (dispositivos electrónicos que pueden utilizarse como interruptores) controlados por tensiones entre 0 V y 5 V, además de resistencias. De esta forma, se pueden implementar todas las funciones lógicas que representan las puertas lógicas.

Esta lógica es bastante empleada, aunque no tanto como la CMOS. Pero puede ser frecuente en multitud de aparatos como podrían ser algunos aparatos de sonido, etc. Además, anteriormente eran aún más populares que en la actualidad.

CMOS

CMOS son las siglas de Complementary Metal-Oxide Semiconductor. Se trata de una familia lógica de las más empleadas en la actualidad para todo tipo de circuitos digitales, como los procesadores, memorias, etc. En este caso solo se emplean transistores unipolares NMOS o PMOS, es decir, de tipo MOSFET o FET. Este tipo de lógica tiene la peculiaridad de trabajar a tensiones muy bajas, por lo que se puede conseguir un circuito eficiente.

Las factorías o foundries como TSMC, Intel, STMicroelectronics, Samsung, GlobalFoundries, etc., casi la totalidad de los chips que producen son de esta familia.

ECL

ECL son las siglas de Emitter Coupled Logic (lógica de emisores acoplados). Esta familia utiliza niveles de tensión entre 15 V y 35 V, lo que resulta bastante más elevada que las anteriores, consumiendo más energía. No obstante, se emplea para aplicaciones como la RF y otras donde no es tan importante el consumo.

También es un circuito bastante complicado: la lógica de emisor acoplado se realiza con una combinación de transistores, diodos y resistencias.

DTL

Diode-transitar logic (DTL) es otra familia lógica popular, y que emplea diodos, resistencias y transistores como unidades principales para construir los circuitos. En muchos sentidos se puede asemejar a algunas de las anteriores, y puede trabajar con tensiones de entre -2v y 4v.

Otras familias

Existen otras familias lógicas, pero son menos comunes. Las siglas incluyen PECL, HCTL, RTL, PCTL y ECL. Es decir, existen gran variedad de ellas, y no hay una mejor o peor, sino que cada una tiene unas ventajas y desventajas según para qué aplicaciones, aunque como ya he dicho, la CMOS es la que se ha impuesto. Pero ten en cuenta que los niveles de tensión empleados, requisitos de potencia, la resistencia o impedancia, y otras propiedades dependerán del tipo de familia empleada.

Ventajas de la electrónica digital

La electrónica digital tiene múltiples ventajas con respecto a la electrónica analógica. Aunque hubo computadoras analógicas, lo cierto es que la era digital es la que se ha impuesto actualmente por distintos motivos como:

• Escalable: se pueden ampliar simplemente añadiendo más componentes de una forma sencilla y barata. Esto es útil para cuando hay un aumento inesperado de la demanda de un sistema.
• Tolerancia a los fallos: los circuitos digitales suelen tolerar los fallos bastante bien, aunque pueden sufrir algunos problemas, como por ejemplo cuando se exponen a radiación, por lo que hay que tomar medidas en esos casos en los que se usan en ambientes como centrales nucleares, el espacio exterior, etc.
• Precisión: pueden programarse para realizar tareas específicas y precisas de forma muy sencilla. Esto los hace más útiles que los circuitos analógicos para tareas de precisión como el control de robots, la computación, etc.
• Versátiles: estos circuitos pueden realizar diferentes funciones dependiendo de cómo estén programados, por lo que se pueden usar para una enorme cantidad de aplicaciones.
• Bajo consumo de energía: en comparación con los circuitos analógicos, los circuitos digitales consumen menos energía. De hecho, muchos dispositivos que dependen de batería pueden llegar a funcionar durante mucho tiempo sin necesidad de carga gracias a estos circuitos.

Desventajas de la electrónica digital

• Caros: pueden ser más caros de diseñar y fabricar debido a su complejidad.
• Más difíciles de entender: al ser más complejos que los analógicos, también puede ser más complicado entenderlos.

La lógica booleana

Antes de entrar en cómo son las puertas lógicas, primero tenemos que saber qué es realmente la Lógica Booleana. Y es que de este concepto dependen los circuitos lógicos que componen las puertas lógicas que veremos más adelante.

La lógica booleana es, por decirlo de algún modo, el lenguaje utilizado para describir cómo manipular los bits (1s o 0s) y crear representaciones lógicas más complejas de la información. Como sabes, en esta lógica booleana los estados posibles solo son dos, por lo que encaja a la perfección con el sistema binario.

El sistema binario es una técnica de numeración donde solo se utilizan dos dígitos, el 0 y el 1.

La importancia de las puertas lógicas

Las puertas lógicas son los bloques de construcción de todos los circuitos lógicos. Y en base a estos circuitos se construyen multitud de equipos que utilizamos actualmente:

• Telecomunicaciones, Radio, Radares, GPS, Telefonía, etc.
• Sistemas militares de todo tipo.
• Vehículos.
• Instrumentación médica.
• Control de procesos industriales.
• Electrónica de consumo (electrodomésticos, dispositivos móviles, PCs, televisiones, etc.).
• Robótica y mecatrónica.
• Domótica, urbótica y inmótica.
• Industria aeroespacial.
• etc.

¿Qué es una puerta lógica?

Las puertas lógicas son el núcleo de todos los circuitos digitales, esos bloques elementales con los que están construidos los circuitos digitales y lógicos. Gracias a la combinación de estas puertas lógicas se pueden crear multitud de funciones. Es decir, se pueden implementar unidades funcionales como puede ser un sumador, un multiplicador, un desplazador de bits, una ALU, una FPU, lógica de control, etc. Así, en función de las entradas tendremos una salidas determinadas, aunque como también intervienen los circuitos secuenciales, también dependerían de estados anteriores en algunos casos.

Por tanto, se puede decir que un circuito digital es un conjunto de puertas lógicas conectadas entre sí de forma que la salida de una puerta se convierta en la entrada de otra. Por ejemplo, en SimulIDE he creado este circuito simple en el que he puesto una puerta NAND con sus entradas conectadas a entradas de voltaje fijo y su salida a un LED. Cuando una, otra o ambas entradas estén con voltaje alto, el LED permanecerá encendido.

¿Cómo funcionan las puertas lógicas?

Para entender cómo funcionan las puertas lógicas, hay que tener en cuenta todo lo dicho anteriormente. Por ejemplo, imagina que deseas crear un circuito que apague un LED cuando se pulsa un botón o interruptor y se encienda el LED si no se pulsa dicho botón. Para implementar esto tan sencillo se podría usar una puerta lógica inversora, es decir, una NOT. Esta puerta invierte el estado de su entrada en su salida. Es decir, cuando la entra está a alto nivel o a 1, la salida estará a bajo nivel o 0; cuando la entrada está a bajo nivel o 0, la salida estará a alto nivel o 1.

Sin embargo, no siempre se necesitan circuitos tan elementales, por lo que hay que emplear otras puertas lógicas o incluso un gran número de ellas. Ten en cuenta que muchos circuitos digitales actuales pueden tener hasta cientos, miles o millones de puertas lógicas para funcionar.

No es sencillo en esos casos comprender las distintas entradas que se deben dar para ofrecer un cierto número de salidas diferentes. Por eso, en la actualidad se emplean otras técnicas como los Mapas de Karnaugh, Leyes de Morgan, técnica de Quine-McCluskey, etc., y para los más complejos, como los procesadores, se emplea software IDE y lenguajes de descripción de hardware (HDL) para implementar de forma más abstracta y sencilla estos circuitos. De esta forma, sabiendo qué es lo que tiene que hacer el circuito, se pueden implementar fácilmente usando estas puertas lógicas y los componentes electrónicos que las componen en última instancia.

Símbolos de las puertas lógicas

Los símbolos de las puertas lógicas no son universales. Existen varias nomenclaturas, como la alemana, americana y la japonesa. Por tanto, podemos ver los circuitos representados con distintos símbolos. Pero todos ellos comparten algo, y es que se componen de tres partes principales:

• Entrada/s: siempre se muestra en el lado izquierdo del símbolo. Es por donde entra el bit o señal eléctrica alta o baja.
• Salida: siempre en la parte derecha del símbolo. Es por donde sale el resultado.
• Puerta (puente): se muestra en el centro del símbolo. Representa el circuito necesario para implementar dicha función lógica.

Tipos de puertas lógicas

Hay varios tipos diferentes de puertas lógicas, cada una representa a una función lógica diferente. Las más importantes son:

Buffer o puerta lógica directa

Esta puerta llamada buffer o puerta lógica directa es lo opuesto al inversor o NOT, es decir, es una puerta cuya salida es igual a la entrada. Por tanto, como se ve en la tabla de verdad, cuando la entrada está a 0 la salida será 0 y cuando está a 1 la salida estará a 1. Así es como funciona esta puerta usada en algunos pads de conexión, etc.

Inversor o NOT

Un inversor o puerta lógica NOT también es una puerta lógica básica, con una sola entrada y una salida, como la anterior, pero en este caso invierte completamente su entrada. Es decir, cuando la entrada se mantiene a 0 la salida siempre será 1, mientras que si la entrada es 1 la salida será 0. Este tipo de puerta también tiene muchas aplicaciones posibles, especialmente en combinación con el resto de puertas lógicas.

AND

Una puerta AND, o Y lógico, es una puerta lógica que produce una alta tensión cuando todas sus entradas son de alta tensión, dicho de otro modo, cuando todas sus entradas son 1, la salida será 1. En el resto de los casos generará una salida de baja tensión o 0. Es decir, tienen que estar una Y otra salida a uno para que la salida esté activa.

OR

Una puerta OR, u O lógico, es una puerta lógica que tendrá su salida a alto voltaje o a 1, siempre y cuando alguna de sus entradas esté a uno, o ambas lo estén. Es decir, tiene que estar O una O otra O las dos.

NAND

La puerta NAND no es más que el resultado de una combinación de una puerta AND con una NOT a su salida. Eso genera una salida totalmente inversa a la AND que hemos visto anteriormente. Es decir, mientras en la AND ambas entradas debían estar a 1 para que la salida fuese 1, en este caso la salida estará a 1 siempre que las dos entradas no estén a 1.

NOR

Una puerta NOR es otro tipo de puerta lógica que resulta de la combinación de una puerta OR con una NOT a su salida, es decir, invierte el funcionamiento de una OR. Por tanto, las salidas estarán invertidas con respecto a la OR, lo que significa que la salida será siempre 0 en todas las combinaciones de sus entradas excepto cuando ambas entradas están a 0. Es decir, la única forma de que la salida sea 1 será que sus dos entradas estén a alto voltaje.

Tanto la puerta NAND como la puerta NOR se consideran puertas universales. Esto las hace muy prácticas para todo tipo de circuitos, de hecho, se emplean solo estas puertas lógicas para implementar circuitos, sin necesidad de usar el resto. Por ejemplo, una puerta NOR o NAND con las entradas puenteadas se transforman en una NOT. Si unes dos puertas de este tipo con sus entradas puenteadas se consigue una doble negada, es decir, una puerta buffer. Y así con otras puertas lógicas… Para más ejemplos, puedes ver la siguiente imagen:

OR exclusivas (XOR)

Una puerta OR exclusiva emite una salida a 1 solo cuando una o otra entrada está a 1, pero no cuando ambas están a 0 o cuando ambas están a 1, en cuyos casos será siempre 0 la salida. Así es como funciona esta puerta lógica tan peculiar.

XNOR

XNOR es la abreviatura de «exclusive-NOR», y se refiere a un tipo de puerta lógica que es la inversa a la XOR, es decir, sería como combinar una XOR con una NOT para invertir su salida. Por tanto, en este caso, tanto cuando ambas entradas están a 0 como cuando ambas entradas están a 1, su salida será 1. En el resto de los casos serán 0.

Aquí hemos hablados de puertas lógicas siempre de dos entradas, excepto en el caso del buffer y la NOT. Sin embargo, aunque esto es lo básico, lo cierto es que las puertas pueden tener más entradas: tres, cuatro, cinco,… Evidentemente, cuando hay más entradas, las tablas de verdad variarán.

Puertas lógicas cuánticas

Con la llegada de la computación cuántica, los nuevos ordenadores cuánticos se basan en puertas lógicas cuánticas que son muy diferentes a las convencionales. Así podrán manipular los llamados como bits cuánticos o qubits, en vez de los bits binarios que se han estado empleando en las puertas lógicas vistas anteriormente. No obstante, este tipo de puertas son realmente complejas, y es un paradigma totalmente nuevo que funciona de una forma diferente en todos los sentidos y solo existen algunas puertas lógicas equivalentes, el resto son totalmente nuevas. Pero esto es cuestión para otro artículo…

Principales diferencias entre la lógica cuántica y la digital

Las principales diferencias entre las puertas lógicas cuánticas y las digitales son:

• Bits vs Qubits
• Secuencial vs Paralelo
• Estados medidos en relativo vs absoluto
• Diferencias de las leyes de la física: mientras la lógica digital se basa en leyes físicas de la mecánica clásica o física clásica, la computación cuántica se basa en la física cuántica o mecánica cuántica. Una diferencia realmente brutal que afecta tanto al funcionamiento de los chips como de su programación.

Además, la representación también es muy diferente, así como su nomenclatura. Por tanto, si quieres aprender este nuevo paradigma tendrás que cambiar todo lo que sabías hasta el momento…