Capítulo 1: Viaje al interior de las tecnologías digitales
TODO
- La era digital: Todo es número
- En el interior de los microchips
- Niveles de descripción
- Electrónica digital
- FPGAs
- Herramientas libres
- Electrónica digital divertida (circuit scramble)
Vivimos en un mundo digital: televisión digital, radio digital, circuitos digitales...Es la era digital ¿Pero esto qué significa? Simplemente que TODO son números. Toda la información que recibimos son números. Las imágenes que nos llegan por la televisión son en realidad números. Los sonidos que escuchamos son números. Las Apps que ejecutamos en nuestros móviles son números. Los documentos que enviamos por internet son ... ¡Números!
Internet es una red digital de comunicaciones. Que sea digital significa, ya lo has averiguado, que está especializada en números. Es una red que trabaja con números. ¡Y sólo con números!. Internet realiza 3 operaciones básicas con los números: Transporte, almacenamiento y manipulación.
La principal ventaja de las redes digitales es que pueden trabajar potencialmente con ÇÇcualquier tipo de señalÇÇ. Esto nos garantiza que si en el futuro se usan señales nuevas: olfativas, mentales... también se podrán enviar por internet. El único requisito es que se tienen que convertir a números. Y una vez que son números, para la red será igual que el resto de números provenientes de señales ya conocidas: audio, vídeo...
Otra ventaja es que los números "no se desgastan" al transportarlos, y se pueden copiar muy fácilmente. La copia de un número es exactamente igual al original
Pero es que además, gracias al segundo teorema de Nyquist, tenemos garantizado matemáticamente que cualquier señal analógica se puede convertir a números y posteriormente ser reconstruidas. De esta forma, tenemos garantizado que cualquier señal la podemos inyectar en nuestras redes digitales
Actualmente todo es número, y las nuevas señales usadas en el futuro también será todo número :-) ¡¡Los pitagóricos estarían orgullosos!! ¡¡Tenían razón!!
Los circuitos electrónicos digitales son aquellos que manipulan, almacenan y transportan números. Están integrados dentro de los microchips. Normalmente se construyen mediante la unión de varios de estos microchips. El esquema de su funcionamiento es muy simple: al circuito llegan números por su entrada. Dentro del circuito, estos números se manipulan, almacenan y transportar y se obtienen como resultado otros números que se sacan por la salida
Los números estamos acostumbrados a representarlos en el sistema decimal, donde usamos los 10 dígitos: 0,1,3,4,5,6,7,8 y 9. Sin embargo, cualquier número se puede representar en binario, usando sólo 2 dígitos: 0 y 1
De esta manera, todo son números, y todos los números se pueden representar como 0's y 1's, por tanto, todo se puede representar al final en binario. ¡¡Todo son 0's y 1's!!
Los dígitos de un número binario se denominal bits. En realidad, un bit, es algo que puede estar en dos estados: 0-1, y que puede representar cosas como encendido-apagado, blanco-negro, ying-yang, par-impar, verdadero-falso, todo-nada, culo o codo :-)
Ya podemos definir lo que es un circuito digital: un circuito electrónico que manipula, almacena y transporta bits. En este curso aprenderemos electrónica digital, para hacer circuitos digitales de una manera práctica, y cómo combinando esas tres operaciones básicas podemos realizar circuitos más avanzados
Si abrimos cualquier producto electrónico, nos encontraremos con que en su interior tiene uno o varios circuitos electrónicos. Son una serie de componentes y conectores soldados sobre una placa de circuito impreso (PCB) que típicamente es verde
Uno de estos componentes son los Circuitos integrados, también conocidos como microchips. Son el gran invento del siglo XX. Están disponibles en diferentes encapsulados y tamaños, y están soldados sobre el PCB
Si abrimos el microchip, veremos que casi todo es encapsulado. Está formado por una base de la que salen las patas, que están conectadas a la parte interior mediante unas pistas de cobre
En el centro está el dado, que es realmente donde está el circuito electrónico. La imagen ampliada del dado, que se muestra en la figura, está sacada del proyecto 54/74. Se puede apreciar que realmente el dado es muchísimo más pequeño que el chip completo, que casi todo es encapsulado
El dado está compuesto por transistores unidos mediante pistas de metal. El tamaño de estos transistores es mucho más pequeño. Actualmente los transistores son de tecnología CMOS: están formados por la unión de metal-óxido y semiconductor
La parte principal del transistor la forman los dos tipos de semiconductores (P y N), que se obtienen mediante la adición de impurezas al cristal de silicio. Su unión es la que dota al transistor de sus propiedades
Y en el nivel inferior tenemos el átomo de silicio, que es el componente base de la electrónica actual
Todo el viaje se ha resumido en esta figura :-)
En ciencia y tecnología, para abordar el estudio de los sistemas complejos, se establecen divisiones en niveles. Así, es posible entender cada uno de los niveles sin necesidad de conocer los del nivel anterior
Estos son los 7 niveles desde el átomo hasta el software:
Empezaremos nuestra torre desde el nivel en el que lo dejamos en el apartado anterior: el nivel del átomo. Habría más niveles por debajo: partículas subatómicas, mecánica cuántica..., pero fijaremos el del átomo como punto de partida. La física y la química son las rama de la ciencia que se estudian este nivel. En el caso de la electrónica, el átomo que más nos interesa es el de Silicio (Si) que es la base de todo
El Átomo de silicio está representado en esta figura:
¡OJO! ¡Es una representación para entender sus propiedades, pero Físicamente el átomo no es exactamente así! Las diferencias son: 1) El núcleo es muchísimo más pequeño en comparación con los orbitales. 2) Los orbilates no están tan bien definidos. En realidad los electrones están "por todos lados", pero con mayor probabilidad se encuentran en las zonas verdes. En la realidad todo es mucho más difuso
El núcleo tiene 14 protones y 14 neutrones (lo que le da un peso atómico de 28). En el nivel exterior tiene 4 orbitales P, cada uno con 1 electrón, lo que le permite formar enlaces covalentes con otros átomos. Los orbitales forman un tetraedro, en el que el núcleo está en el centro y cada orbital apuna hacia uno de los 4 vértices de este tetraedro
- Aplicación práctica: Esta representación del átomo de Silicio está modelada con el programa FreeCAD. Descarga su modelo 3D y ábrelo con FreeCAD para entender mejor su estructura
Los átomos de silicio se unen entre sí, formando un cristal de silicio. Cada átomo de silicio está unido a otros cuatro, formando un tetraedro. Hay un átomo de Si en el centro, y los 4 restantes en los vértices de este tetraedro. Esta forma está determinada por la propia forma del átomo, que tiene sus cuatro orbitales p dispuestos en forma de tetraedro. En la figura se muestra la unión de 5 átomos de silicio. Cada átomo se ha representado mediante una esfera amarilla, ocultándose los detalles del núcleo y los orbitales
El cristal de Silicio está formado por la repetición espacial de esta celda unitaria de 5 átomos. Para verlo, construimos el cubo mínimo que contiene al tetraedro. Uno de los átomos está en el centro del cubo, y los otros 4 en otros vértices del cubo, como se muestra en la figura
Repitiendo estos cubos en +las tres direcciones* obtenemos la estructura del crital de Silicio. Si eliminamos las aristas de los cubos obtendremos cómo quedan los átomos de silicio en el espacio
La rama de la física que estudia los sólidos se llama Física del estado sólido
- Aplicación práctica: Experimenta viendo en 3D la unidad básica de 5 átomos de silicio, y un ejemplo de una red más grande. Bájate estos ficheros: si-5-atoms.fcstd y si-cristal-unitl.fcstd. Ábrelos con FreeCAD
Modificando y combinando diferentes materiales llegamos al nivel de los semiconductores, donde aparecen unas propiedades eléctricas muy interesantes, sobre las que se apoya la electrónica moderna
Los cristales de silicio, sin ninguna modificación, son aislantes: no conducen la electrícidad porque todos sus electrónes están empleados en establecer las uniones con los átomos de silicio colindantes. Sin embargo, si algunos átomos de Silicio se sustituyen por otros, como Fósforo (P) o Boro (B), ocurre que hay exceso de electrones, o un defecto, y hay conducción. A este proceso se le denomina dopar al silicio:
Existen dos tipos de Silicio dopado, el tipo N, que tiene exceso de electrones, y el tipo P, al que le falta (o tiene un exceso de cargas positivas). La unión de ambos tipos de silicion se denomina unión PN y es con la que se hacen los diodos. Esta unión sólo deja pasar la corriente en un sentido
Haciendo uniones entre ambos tipos de semiconductores se obtienen los transitores, que son unos elementos que nos permite regular la cantidad de corriente que pasa por ellos. Actualmente, los transistores que se encuentran en los microchips son los MOSFET, formados por la unión de Metal Óxido y semiconductores. Su estructura se muestra en la siguiente figura:
Las propiedades eléctricas de las diferentes uniones, y los dispositivos que se pueden construir con las uniones de semiconductores (transistores, diodos...) se estudian en la rama de la electrónica denominada Electrónica de dispositivos
- Aplicación práctica: Abrir con FreeCAD el modelo 3D de la estructura del transistor, donde se pueden ver los diferentes semiconductores y materiales que lo componente. Fichero: mosfet-si.fcstd
Los tres niveles anteriores son niveles físicos: están relacionados con la materia que hay en el mundo real. A partir del nivel 4, se parte del transitor para crear circuitos electrónicos mediante el uso de esquemas, que son símbolos conectados. Se hace abstracción de cómo están implementados físicamente estos símbolos en la realidad, para centrarse en las propias propiedades del componente.
Los transistores se usan muchísimo para hacer amplificadores de señal, electrónica de potencia, etc. A nosotros nos interesa el uso que se dan para la creación de los circuitos digitales. La Microelectrónica es la rama encargada del diseño de los circuitos integrados. Todos los chips digitales están formados a base de transistores. Con ellos, se construyen las puertas lógicas, con las que subimos al siguiente nivel. En esta figura se muestra es esquema de una puerta NAND (del integrado 5400):
- Aplicación práctica: Bajarse el fichero: 5400.zip que contiene el esquema de las puertas NAND del integrado 5400, del proyecto 54/74. Descomprimirlo y abrirlo con la herramientas Kicad
TODO
TODO
TODO
TODO
-Interior chips: ctos digitales. Electrónica digital
TODO
- Project 54/74. Documentacion de la serie de circuitos integrados 54/74, mediante ingeniería inversa
- Silicio
- Juan González Gómez (Obijuan)
- Imagen de los pitagóricos: De Fyodor Bronnikov, (1827—1902) - http://john-petrov.livejournal.com/939604.html?style=mine#cutid1, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2591309
- La imagen del dado de silicion está tomada del Projecto 54/74