nivel lógico

Un nivel lógico es un rango de voltaje definido que representa uno de dos estados discretos en un circuito digital: alto (lógico 1) o bajo (lógico 0). A diferencia de las señales analógicas que varían continuamente, los sistemas digitales utilizan estas bandas de voltaje fijas para codificar información. Un pin de microcontrolador, por ejemplo, lee cualquier valor por encima de 2.4 voltios como un 1 y cualquier valor por debajo de 0.8 voltios como un 0 en un sistema de 5 voltios; el rango intermedio no está definido y se evita. Esta codificación binaria es la base de toda la lógica digital.

Los umbrales de voltaje exactos dependen de la familia lógica y del voltaje de alimentación. Los circuitos TTL (lógica transistor-transistor) suelen usar 5 voltios y definen alto como 2.4 a 5.0 voltios y bajo como 0 a 0.4 voltios. La lógica CMOS es más flexible: con una fuente de alimentación de 5 voltios, alto suele ser de 3.5 a 5.0 voltios y bajo de 0 a 1.5 voltios. Los microcontroladores modernos a menudo funcionan con 3.3 voltios, donde los umbrales se reducen proporcionalmente. Algunas aplicaciones industriales utilizan niveles lógicos de 24 voltios para la inmunidad al ruido en tiradas de cable largas.

Incompatibilidad y traducción

Mezclar familias lógicas causa problemas. Conectar una salida de 3.3 voltios directamente a una entrada de 5 voltios puede funcionar, pero lo contrario puede destruir un pin. Los cambiadores de nivel, que son circuitos traductores dedicados o redes de resistencias simples, convierten las señales entre diferentes dominios de voltaje. En entornos hostiles con ruido eléctrico, márgenes más amplios entre los umbrales alto y bajo mejoran la fiabilidad; por eso los sistemas de control industrial a menudo prefieren la lógica de 24 voltios a la lógica de 5 voltios.

Los voltajes de umbral en sí no son arbitrarios. Reflejan las características de conmutación de los transistores subyacentes y tienen en cuenta los márgenes de ruido: la diferencia entre la garantía de salida y el requisito de entrada. En una salida TTL de 5 voltios garantizada para alcanzar un mínimo de 2.4 voltios en el nivel lógico alto, el umbral de entrada se sitúa en 2.0 voltios, proporcionando 0.4 voltios de inmunidad al ruido. Si el ruido eléctrico eleva o baja una señal más allá de este margen, se producen errores.

La prueba de niveles lógicos requiere un osciloscopio o un analizador lógico para medir los voltajes y tiempos reales. Los multímetros son inadecuados porque promedian la señal. Un nivel lógico puede transicionar en nanosegundos, y una ventana de transición perdida puede hacer que una compuerta interprete mal el estado. Los diseños de sistemas deben tener en cuenta los retrasos de propagación, los tiempos de establecimiento y los tiempos de retención alrededor de los cambios de estado.