Una puerta lógica es un dispositivo que actúa como un bloque de construcción para circuitos digitales. Las puertas lógicas realizan funciones lógicas básicas que son fundamentales para los circuitos digitales. La mayoría de los dispositivos electrónicos que usamos hoy en día tendrán algún tipo de puertas lógicas. Por ejemplo, las puertas lógicas se pueden utilizar en tecnologías como teléfonos inteligentes, tabletas o dentro de dispositivos de memoria.
En un circuito, las puertas lógicas tomarán decisiones basadas en una combinación de señales digitales provenientes de sus entradas. La mayoría de las puertas lógicas tienen dos entradas y una salida. Las puertas lógicas se basan en el álgebra de Boole. En cualquier momento dado, cada terminal está en una de las dos condiciones binarias, falsa o verdadera. Falso representa 0 y verdadero representa 1. Según el tipo de puerta lógica que se use y la combinación de entradas, la salida binaria será diferente. Se puede pensar en una puerta lógica como un interruptor de luz, en la que en una posición la salida está apagada - 0, y en otra, está encendida - 1. Las puertas lógicas se utilizan comúnmente en circuitos integrados (IC).
Puertas lógicas básicas
Hay siete puertas lógicas básicas: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR y XNOR.
Y | O | XOR | NO | NAND | NOR | XNOR
La puerta AND se llama así porque, si 0 se llama "falso" y 1 se llama "verdadero", la puerta actúa de la misma manera que el operador lógico "y". La siguiente ilustración y tabla muestran el símbolo del circuito y las combinaciones lógicas para una puerta AND. (En el símbolo, los terminales de entrada están a la izquierda y el terminal de salida está a la derecha). La salida es "verdadera" cuando ambas entradas son "verdaderas". De lo contrario, la salida es "falsa". En otras palabras, la salida es 1 solo cuando ambas entradas una Y dos son 1.
Y puerta
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 | 1 |
La puerta OR recibe su nombre del hecho de que se comporta de acuerdo con la lógica inclusiva "o". La salida es "verdadera" si una o ambas entradas son "verdaderas". Si ambas entradas son "falsas", entonces la salida es "falsa". En otras palabras, para que la salida sea 1, al menos la entrada uno O dos deben ser 1.
O puerta
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | 1 |
La puerta XOR (exclusiva-OR) actúa de la misma manera que la lógica "una u otra". La salida es "verdadera" si una de las entradas, pero no ambas, es "verdadera". La salida es "falsa" si ambas entradas son "falsas" o si ambas entradas son "verdaderas". Otra forma de ver este circuito es observar que la salida es 1 si las entradas son diferentes, pero 0 si las entradas son las mismas.
Puerta XOR
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 |
Un inversor lógico, a veces llamado puerta NOT para diferenciarlo de otros tipos de dispositivos inversores electrónicos, tiene una sola entrada. Invierte el estado lógico. Si la entrada es 1, entonces la salida es 0. Si la entrada es 0, entonces la salida es 1.
Inversor o NO puerta
| Entrada | Salida |
| 1 | |
| 1 |
La puerta NAND funciona como una puerta Y seguida de una puerta NO. Actúa a la manera de la operación lógica "y" seguida de negación. La salida es "falsa" si ambas entradas son "verdaderas". De lo contrario, la salida es "verdadera".
Puerta NAND
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | ||
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 | |
| 1 | 1 |
La puerta NOR es una puerta combinada O seguida de un inversor. Su salida es "verdadera" si ambas entradas son "falsas". De lo contrario, la salida es "falsa".
Puerta NOR
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 |
La puerta XNOR (exclusiva NOR) es una puerta XOR combinada seguida de un inversor. Su salida es "verdadera" si las entradas son las mismas y "falsa" si las entradas son diferentes.
Puerta XNOR
| Entrada 1 | Entrada 2 | Salida |
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | ||
| 1 | 1 | 1 |
Se pueden realizar operaciones complejas usando combinaciones de estas puertas lógicas. En teoría, no hay límite para la cantidad de puertas que se pueden agrupar en un solo dispositivo. Pero en la práctica, existe un límite en la cantidad de puertas que se pueden empaquetar en un espacio físico dado. Las matrices de puertas lógicas se encuentran en circuitos integrados digitales. A medida que avanza la tecnología IC, el volumen físico requerido para cada puerta lógica individual disminuye y los dispositivos digitales del mismo tamaño o más pequeños se vuelven capaces de realizar operaciones cada vez más complicadas a velocidades cada vez mayores.
Composición de puertas lógicas
Las condiciones binarias altas o bajas están representadas por diferentes niveles de voltaje. El estado lógico de un terminal puede, y generalmente lo hace, cambiar a menudo a medida que el circuito procesa los datos. En la mayoría de las puertas lógicas, el estado bajo es aproximadamente cero voltios (0 V), mientras que el estado alto es aproximadamente cinco voltios positivos (+5 V).
Las puertas lógicas pueden estar hechas de resistencias y transistores o diodos. Una resistencia se puede usar comúnmente como resistencia pull-up o pull-down. Las resistencias pull-up y pull-down se utilizan cuando hay entradas de puerta lógica sin usar para conectar a un nivel lógico 1 o 0. Esto evita cualquier conmutación falsa de la puerta. Las resistencias pull-up están conectadas a Vcc (+ 5V) y las resistencias pull-down están conectadas a tierra (0 V).
Las puertas lógicas más utilizadas son TTL y CMOS. Los circuitos integrados TTL, o Transistor-Transistor Logic, usarán transistores de unión bipolar de tipo NPN y PNP. Los circuitos integrados CMOS, o de óxido de metal-silicio complementario, se construyen a partir de transistores de efecto de campo tipo MOSFET o JFET. Los circuitos integrados TTL se pueden etiquetar comúnmente como la serie 7400 de chips, mientras que los circuitos integrados CMOS a menudo se pueden marcar como una serie 4000 de chips.