05 U1 Electrónica Digital - Familias Lógicas - Detección y Corrección de Fallas

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22/05/2016

Electrónica Digital Familias Lógicas

Ing. Luis Armando Reyes Cardoso

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Luis Armando Reyes Cardoso Ingeniero Electricista  – ITQ  PTC Mecatrónica. email: [email protected] 7329112 Mecatrónica Ext. 412

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1.3 Familias Lógicas

•   Existen dos tecnologías de circuitos integrados digitales que que se usan usan para para impl implem emen enta tarr las las puer puerta tass lógi lógica cass básicas: CMOS y TTL. Las operaciones lógicas NOT, AND, OR, NAND, NOR y OR−excl exclus usiv iva a son son las las mism mismas as,, inde indepe pend ndie ient ntem emen ente te de la tecn tecnol olog ogía ía de circ circui uito toss integrados que se utilice; es decir, una puerta AND tiene la misma función lógica se implemente con la tecnología CMOS o TTL.

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1.3 Familias Lógicas •

El términ término o   CMOS   corresponde corresponde a   Complementary Complementary Metal −Oxide Oxide Semiconduct Semiconductor  or  (semiconductor metal −   óxido óxido complement complementario) ario) y se implementa implementa con un tipo de transistor de efecto de campo. Transistor or Logic, lógica • TTL (Transistor ‐Transist lógica trans transist istor or−transi transisto stor) r) y se implem implement enta a mediante transistores bipolares. • Tenga en cuenta que CMOS y TTL sólo difieren en el tipo tipo de componentes de circuito y los valores valores de los parámetros, parámetros, y no en las operaciones operaciones lógicas básicas. básicas. Una puerta puerta AND CMOS realiza la misma operación lógica que una puerta AND TTL. Esto también es cierto para todas las operaciones lógicas básicas restantes. •   La dife difere renc ncia ia entr entre e CMOS CMOS y TTL TTL se encu encuen entr tra a en las las cara caract cter erís ísti tica cass de funcionamiento, tal como la velocidad de conmutación (retardo de propagación), la disipación de potencia, la inmunidad al ruido y otros parámetros.

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CMOS • • •

•

Existe poco desacuerdo sobre cuál es la tecnología de circuitos, CMOS o TTL, más ampliamente utilizada. Parece que CMOS está comenzando a ser la tecnología dominante y podría reemplazar a la tecnología TTL en los CI de pequeña y mediana escala. Aunque TTL ha dominado durante muchos años, principalmente debido a sus altas velocidades de conmutación y a una enorme variedad de tipos de dispositivos, la tecnología CMOS siempre ha tenido la ventaja de ofrecer una mucho menor disipación de potencia, aunque dicho parámetro depende de la frecuencia. Las velocidades de conmutación de CMOS han mejorado extremadamente y ahora pueden competir con TTL, a la vez que la baja disipación de potencia y otros factores deseables se han mantenido a medida que la tecnología avanzaba.

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Series CMOS •

• •

Las categorías de CMOS en términos de tensión de alimentación continua son la serie CMOS de 5 V, la serie CMOS de 3,3 V, la serie CMOS de 2,5 V y la serie CMOS de 1,8 V. Las series CMOS de más baja tensión son el resultado de un desarrollo más reciente y de un esfuerzo por reducir la disipación de potencia. Puesto que la disipación de potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, una reducción de 5 V a 3,3 V, por ejemplo, disminuye la potencia en un 34%, sin que el resto de los factores varíen.

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Series CMOS • Dentro de cada categoría según la tensión de alimentación, hay disponibles varias series de puertas lógicas CMOS. • Estas series pertenecientes a la familia CMOS difieren en sus características de funcionamiento y se designan mediante los prefijos 74 ó 54, seguidos de una letra o letras que indican la serie y, a continuación, un número que indica el tipo de dispositivo lógico. • El prefijo 74 indica que se trata de un dispositivo comercial de propósito general, y el prefijo 54 indica que es un dispositivo militar para aplicaciones en entornos más exigentes.

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Series CMOS • La serie básica CMOS de 5 V y sus denominaciones son las siguientes: 74HC y 74HCT. CMOS de alta velocidad (la “T” indica compatibilidad TTL) 74AC y 74ACT. CMOS avanzada ■ 74AHC y 74AHCT. CMOS de alta velocidad avanzada ■ ■

• La serie básica CMOS de 3,3 V y sus denominaciones son las siguientes: 74LV. CMOS de baja tensión ■ 74LVC. CMOS de baja tensión. ■ 74ALVC. CMOS de baja tensión avanzada. ■

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Series CMOS • Además de la serie 74, todavía existe la serie 4000, que es una tecnología CMOS más antigua y de baja velocidad, aunque su uso está limitado. • Además de las series CMOS "puras" existen series que combinan ambas tecnologías, CMOS y TTL, que se denominan BiCMOS. La serie básica BiCMOS y sus denominaciones son las siguientes: 74BCT. BiCMOS ■ 74ABT. BiCMOS avanzada. ■ 74LVT. BiCMOS de baja tensión. ■ 74ALB. BiCMOS de baja tensión. ■

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TTL

• La tecnología TTL ha sido y es todavía una tecnología de circuitos integrados digitales muy popular. •   Una ventajade esta tecnología es que no es sensible a las descargas electrostáticas como lo es la tecnología CMOS y, por tanto, es más práctica en la realización de experimentos de laboratorio y la elaboración de prototipos, ya que no es necesario preocuparse por los problemas de manipulación.

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Series TTL • Al igual que con la tecnología CMOS, hay disponibles varias series de puertas lógicas TTL, las cuales operan todas ellas con 5 V de alimentación de continua. •   Estas series pertenecientes a la familia TTL difieren en sus características de funcionamiento y se denominan mediante los prefijos 74 ó 54 seguidos por una letra o letras que indican la serie y un número que indica el tipo de dispositivo lógico de la serie. •   Un circuito integrado TTL puede distinguirse de un circuito integrado CMOS por las letras que siguen a los prefijos 74 y 54.

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Series TTL

•   Las series básicas TTL y sus denominaciones son las siguientes: 74: TTL estándar (sin letra). ■ 74S: TTL Schottky. ■ 74AS: TTL Schottky avanzada. ■ 74LS: TTL Schottky de baja potencia. ■ 74ALS: TTL Schottky de baja potencia avanzada. ■ 74F: TTL rápida. ■

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Familias Lógicas Serie 74 Basadas en la Tecnología de los Circuitos

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Tipos de Puertas Lógicas de Función Fija

•   Todas las operaciones lógicas básicas: NOT, AND, OR, NAND, NOR, OR−exclusiva (XOR) y NOR−exclusiva (XNOR) están disponibles en las tecnologías CMOS y TTL. • También están disponibles puertas con salida búfer para excitar cargas que requieran altas corrientes. • Los tipos de configuraciones de puerta normalmente disponibles en los circuitos integrados se identifican mediante los dos o tres dígitos finales de la designación de la serie.

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Tipos de Puertas Lógicas de Función Fija Cuádruple NAND de dos entradas: 00 ■ Cuádruple NOR de dos entradas: 02 ■ Inversor séxtuple: 04 ■ Cuádruple AND de dos entradas: 08 ■ Triple NAND de tres entradas: 10 ■ Triple AND de tres entradas: 11 ■ Doble NAND de cuatro entradas: 20 ■ Doble AND de dos entradas: 21 ■ Triple NOR de tres entradas: 27 ■ NAND de ocho entradas: 30 ■ Cuádruple OR de dos entradas: 32 ■ Cuádruple XOR: 86 ■ Cuádruple XNOR: 266 ■

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Encapsulados de Circuitos Integrados

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Encapsulados de Circuitos Integrados

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Diagramas de Configuración de los Pines

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Características y Parámetros de Funcionamiento

• Existen varios puntos que definen el funcionamiento de un circuito lógico. • Las características de funcionamiento son: la velocidad de conmutación medida en términos del retardo de propagación, la disipación de potencia, el fan−out o capacidad de excitación, el producto velocidad −potencia, la tensión de alimentación continua y los niveles lógicos de entrada/salida.

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Tiempo de Retardo de Propagación

• Este parámetro limita la frecuencia o velocidad de conmutación a la que un circuito lógico puede operar. •   Cuando se aplican a los circuitos lógicos, los términos   baja velocidad  y   alta velocidad   hacen referencia al retardo de propagación. •  Cuanto menor sea el tiempo de propagación, mayor será la velocidad del circuito y mayor será la frecuencia a la que puede operar.

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Tiempo de Retardo de Propagación • El  tiempo de retardo de propagación ,  t P ,  de una puerta lógica es el intervalo de tiempo entre la aplicación de un impulso de entrada y la aparición del impulso de salida resultante. • Existen dos medidas diferentes del tiempo de retardo de propagación asociado con una puerta lógica, que se aplican a todos los tipos de puertas básicas: tPHL: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel ALTO (H) al nivel BAJO (L). ■

tPLH: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel BAJO (L) al nivel ALTO (H). ■

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Ejemplo Determinar los tiempos de propagación en el inversor de la siguiente figura.

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Solución Los tiempos de propagación, t PHL y  t PLH, se indican en la parte (b) de la figura. En este caso, los retrasos se miden entre los puntos de pendiente del 50% en los correspondientes flancos de los impulsos de entrada y salida. Los valores de  t PHL  y  t PLH  no necesariamente son iguales pero, en la mayoría de los casos, sí lo son.

Problema Relacionado Una puerta lógica tiene una valor máximo especificado de 10 ns para  t PHL  y t PLH. Para otros tipos de puertas este valor es de 4 ns. ¿Cuál es la puerta que puede trabajar a la frecuencia mayor?

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Retardo de Propagación

• En las puertas TTL de la serie estándar, el retardo de propagación típico es de 11 ns y para las puertas de la serie F es de 3,3 ns. • Para las puertas CMOS de la serie HCT, el retardo de propagación es 7 ns, para la serie AC es de 5 ns y para la serie ALVC es de 3 ns. • Todos los valores especificados dependen de determinadas condiciones de operación, tal y como se establece en las hojas de características.

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Tensión de Alimentación Continua (Vcc) • La tensión de alimentación continua típica para CMOS puede ser 5 V; 3,3 V, 2,5 V o 1,8 V, dependiendo de la categoría. • Una ventaja de CMOS es que las tensiones de alimentación pueden variar en un rango más amplio que los dispositivos TTL. • Los CMOS de 5 V pueden tolerar variaciones de alimentación desde los 2 V a 6 V y aún así funcionarán adecuadamente, aunque el retardo de propagación y la disipación de potencia se vean significativamente afectadas. • Los dispositivos CMOS de 3,3 V pueden operar con tensiones de alimentación desde 2 V hasta 3,6 V. • La tensión de alimentación continua típica para dispositivos TTL es 5,0 V con un mínimo de 4,5 V y un máximo de 5,5 V.

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Disipación de Potencia • La  disipación de potencia,  P D, de una puerta lógica es el producto de la tensión de alimentación continua y de la corriente media de alimentación. • Normalmente, la corriente de alimentación cuando la salida de la puerta está a nivel BAJO es mayor que cuando la salida de la puerta está a nivel ALTO. • Generalmente, las hojas de características del fabricante especifican la corriente de alimentación para el estado de salida BAJO como  I CCL  y para el estado ALTO como ICCH. • La corriente media de alimentación se determina en función de un ciclo de trabajo del 50% (nivel de salida BAJO la mitad del tiempo y la otra mitad nivel de salida ALTO), por tanto la disipación de potencia media de una puerta lógica es

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Disipación de Potencia • Las puertas de la serie CMOS tienen disipaciones de potencia muy bajas en comparación con las series TTL. • Sin embargo, la disipación de potencia en los dispositivos CMOS depende de la frecuencia de funcionamiento. • Para una frecuencia cero, la potencia está normalmente en el rango de los microvatios por puerta, y en la frecuencia máxima de funcionamiento puede estar en el rango de los miliwatts; por tanto, algunas veces la potencia se especifica para una frecuencia determinada. Por ejemplo, la serie HC tiene una potencia de 2,75 μW/puerta para una frecuencia igual a 0 Hz y de 600 μW/puerta para 1 MHz. • La disipación de potencia para los dispositivos TTL es independiente de la frecuencia. • Por ejemplo, la serie ALS disipa 1,4 mW/puerta, independientemente de la frecuencia y la serie F disipa 6 mW/puerta.

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida • V IL  es la tensión del nivel de entrada BAJO para una puerta lógica y V IH  es la tensión de entrada del nivel ALTO. • Los dispositivos CMOS de 5 V aceptan una tensión máxima de 1,5 V para V IL  y una tensión mínima de 3,5 V para  V IH. • Los dispositivos TTL aceptan una tensión máxima de 0,8 V para V IL   y una tensión mínima de 2 V para  V IH. • V OL  es la tensión de salida para el nivel BAJO y V OH  es la tensión de salida para el nivel ALTO. • Para los dispositivos CMOS de 5 V, el valor máximo de V OL  es de 0,33 V y el valor mínimo para V OH es de 4,4 V. • Para los dispositivos TTL, el valor máximo V OL es de 0,4 V y el mínimo V OH es de 2,4 V. • Todos los valores dependende las condiciones de operación, tal y como se especifica en la hoja de características. M.C. Luis Armando Reyes Cardoso

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida

VCC

Salida

Entrada

“1”

VCC

“1”

VOH

VIH Zona de incertidumbre

VOL 0

“0”

“0”

VIL 0

VIH: Tensión de entrada mínima para asegurar que el nivel se interpreta como “1” VIL: Tensión de entrada máxima para asegurar que el nivel se interpreta como “0” VOH: Tensión de salida mínima a nivel alto VOL: Tensión de salida máxima a nivel bajo

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida

VCC

Salida

Entrada

“1”

VCC

“1”

VOH

VIH Zona de incertidumbre

VOL 0

“0”

“0”

VIL 0

Para que una entrada y una salida sean compatibles en niveles de tensión: VOH > VIH VOL < VIL M.C. Luis Armando Reyes Cardoso

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida

Niveles de corriente: IOH: es la corriente máxima que puede suministrar una salida a nivel alto IOL: es la corriente máxima que puede absorber una salida a nivel bajo IIH: es la corriente que consume una entrada a nivel alto IIL: es la corriente que consume una entrada a nivel bajo

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida • El parámetro SPP (Speed −Power Product ) puede utilizarse como una medida del funcionamiento de un circuito lógico que tiene en cuenta el retardo de propagación y la disipación de potencia. • Es especialmente útil para comparar las distintas series de puertas lógicas de las familias CMOS o TTL o para comparar una puerta CMOS con una puerta TTL. • El producto SPP de un circuito lógico es igual al producto del retardo de propagación por la disipación de potencia, y se expresa en julios (J), que es una unidad de energía. La fórmula es

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Ejemplo Una determinada puerta tiene un retardo de propagación de 5 ns, I CCH = 1 mA e  I CCL = 2,5 mA, con una tensión de alimentación continua de 5 V. Determinar el producto velocidad−potencia. Solución

Problema relacionado Si el retardo de propagación de una puerta es 15 ns y su  SPP  es igual a 150 pJ, ¿cuál es su disipación de potencia media? M.C. Luis Armando Reyes Cardoso

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Fan Out y Carga • El  fan −out  de una puerta lógica es el número máximo de entradas de la familia de circuitos integrados de la misma serie que la puerta puede excitar, manteniendo a la vez los niveles de salida dentro de los límites especificados. • El fan−out es un parámetro importante sólo en la tecnología TTL. • Dado que con los circuitos CMOS se asocian impedancias muy altas, el fan−out es muy alto, aunque depende de la frecuencia debido a los efectos capacitivos. • El fan−out se especifica en términos de cargas unidad . • Una carga unidad para una puerta lógica es igual a una entrada de un circuito similar. • Por ejemplo, una carga unidad para una puerta NAND 74LS00 es igual a una  entrada a una puerta lógica en la serie 74LS (no necesariamente una puerta NAND). • Puesto que la corriente para una entrada a nivel BAJO (IIL) de una puerta 74LS00 es de 0,4 mA y la corriente que una salida a nivel BAJO (IIL) puede aceptar es de 8,0 mA, el número de cargas unidad que una puerta 74LS00 puede excitar en el estado BAJO es

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Comparación TTL - CMOS Disipación estática

Disipación a 100 kHz

Tpo. propagación

Fan-out

Código CMOS Silicon-gate

74HC- 74HCT

2.5 nW

0.17 mW

8 ns

*

CMOS Metal-gate

4000B

1 W

0.1 mW

50 ns

*

TTL Estándard

74

10 mW

10 mW

10 ns

10

TTL S

74S

19 mW

19 mW

3 ns

20

TTL LS

74LS

2 mW

2 mW

10 ns

20

TTL ALS

74ALS

1 mW

1 mW

4 ns

20

TTL AS

74AS

8.5 mW

8.5 mW

1.5 ns

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Hojas de Características

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Hojas de Características

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Hojas de Características

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1.4 Medidas de seguridad en el manejo de las familias lógicas TTL y CMOS.

Precauciones para la Manipulación de Dispositivos CMOS Debido a su estructura, los dispositivos CMOS son muy sensibles a las cargas estáticas y pueden resultar dañados por las descargas electrostáticas si no se manipulan correctamente. Al trabajar con dispositivos CMOS deberán tomarse las siguientes precauciones: • Los dispositivos CMOS deben ser suministrados y almacenados en espuma conductiva. • Todos los instrumentos y bancos metálicos utilizado en las prueban deberán conectarse a una toma de tierra. • Las herramientas de trabajo deben conectarse a tierra a través de un cable y resistencias en serie de alto valor. • No debe retirarse un dispositivos CMOS (o cualquier dispositivo) de un circuito mientras que la alimentación continua esté conectada. • o deben conectarse tensiones de señal o corriente a un dispositivo CMOS cuando la alimentación continua esté apagada. M.C. Luis Armando Reyes Cardoso

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1.4 Medidas de seguridad en el manejo de las familias lógicas TTL y CMOS. • Las entradas de puerta no utilizadas para TTL y CMOS deberían conectarse al nivel lógico apropiado (ALTO o BAJO). • Para las puertas AND y NAND, es recomendable que las entradas no utilizadas se conecten a V CC (a través de una resistencia de 1,0 k Ω   para TTL), y para las puertas OR y NOR, las puertas no utilizadas deberían conectarse a tierra.

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1.5 Detección, Localización y Eliminación de Fallas

• La localización de averías es el proceso de reconocer, aislar y corregir un fallo en un sistema o circuito. • Para poder localizar las averías de forma efectiva, debe entender cómo se supone que trabaja el circuito o sistema y debe estar en disposición de reconocer un funcionamiento incorrecto. • Por ejemplo, para determinar si una puerta lógica tiene un fallo, debe saber cuál debe ser la salida para unas entradas dadas.

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Fallos Internos en las Compuertas Lógicas de los CI

• • •

Los circuitos abiertos y los cortocircuitos son los fallos más comunes en las puertas internas del CI. Se pueden producir tanto en las entradas como en la salida de una puerta contenida en el encapsulado del CI. Antes de intentar solucionar cualquier avería, compruebe que la alimentación continua y la masa son correctas.

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Fallos Internos en las Compuertas Lógicas de los CI • • •

•

Efectos de una entrada que se encuentra en circuito abierto internamente. Un circuito abierto interno es el resultado de un componente en circuito abierto o de una ruptura en la conexión entre el chip y el pin del encapsulado. Una entrada en circuito abierto impide que una señal de impulsos en esta entrada dé lugar a una salida, como se muestra en la Figura (a) para la puerta NAND de 2 entradas. Una entrada TTL en abierto actúa como un nivel ALTO, por lo que los impulsos aplicados a la entrada que está en buen estado pasan a través de la puerta NAND hasta la salida, como se muestra en la Figura (b).

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Condiciones para Probar las Compuertas

• Al probar una puerta NAND o una puerta AND, debe asegurarse siempre de que las entradas a las que no se aplican impulsos se encuentren a nivel ALTO, para activar la puerta. • Cuando pruebe una puerta NOR o una puerta OR, debe asegurarse siempre de que las entradas a las que no se aplican impulsos se encuentran a nivel BAJO. • Cuando se prueba una puerta XOR o XNOR, el nivel de la entrada a la que no se aplican impulsos no importa, ya que los impulsos aplicados en la otra entrada forzarán a que las entradas se encuentren, alternativamente, en el mismo nivel o en niveles opuestos.

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Localización de Fallo: Entrada en Circuito Abierto

•

•

La localización de este tipo de fallo es, en la mayoría de los casos, muy fácil utilizando un osciloscopio y un generador de funciones, como se muestra en la Figura, para el caso de una puerta NAND de 2 entradas. Al medir las señales digitales con un osciloscopio, emplee siempre el acoplamiento en continua.

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Localización de Fallo: Entrada en Circuito Abierto

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