Chips 74HCxx

01 · Punto de partida

El símbolo no tiene pines

En los temas anteriores dibujaste una AND como una «D» con dos entradas y una salida. En la mesa, esa «D» es un rectángulo de plástico negro con catorce patas, dentro del cual hay cuatro puertas AND, y casi nada de lo que se necesita para que funcione aparece en el símbolo: de dónde sale la energía, a qué pata va cada entrada, cuánta corriente aguanta la salida, qué hacer con las puertas que sobran.

• ¿Qué quieren decir las letras del nombre (74, HC, HCT, LS, LVC)?
• ¿Cómo se lee un chip DIP y en qué pines van VCC y GND?
• ¿Para qué sirve el capacitor de 100 nF y dónde va?
• ¿Qué niveles entiende una entrada y qué hago con las que sobran?
• ¿Cuánta corriente puede dar o recibir una salida?

02 · Familias

Qué significan las letras

Un nombre como 74HC08 se descompone en tres partes: 74 (serie comercial; la 54 es la versión militar, con mayor rango de temperatura), HC (la familia tecnológica) y 08 (la función: cuatro AND). El mismo número de función existe en muchas familias: un 7408, un 74LS08 y un 74HC08 hacen lo mismo, pero no se parecen en niveles, velocidad ni consumo.

Este curso usa 74HC alimentado con 5 V porque combina cosas valiosas para la mesa de trabajo: consume casi nada, tolera un amplio rango de tensión, es rápida de sobra para lo que vas a hacer y se consigue en encapsulado DIP, el único que entra en una protoboard.

03 · Encapsulado

Muesca, pin 1 y numeración

El encapsulado DIP (Dual In-line Package) tiene dos hileras de patas separadas 2,54 mm (0,1 pulgadas), que es justo el paso de una protoboard. Es el que vas a usar. En producción masiva se usan versiones de montaje superficial (SOIC, TSSOP, SOT-23) que cumplen la misma función con otro formato.

Orientación

Mirando el chip desde arriba, la muesca (o un punto) marca el extremo del pin 1. Con la muesca arriba, el pin 1 queda arriba a la izquierda.

Numeración

Se cuenta en sentido antihorario: baja por la hilera izquierda (pines 1 a 7) y sube por la derecha (pines 8 a 14).

Alimentación

En un DIP-14, VCC en el pin 14 (arriba a la derecha) y GND en el pin 7 (abajo a la izquierda): esquinas opuestas. En un DIP-16: VCC 16 y GND 8. En un DIP-20 (74HC244, 74HC245): VCC 20 y GND 10. Casi siempre es así, pero existen excepciones: verificá.

Puertas independientes

Un chip de 4 puertas contiene cuatro puertas separadas que comparten solo la alimentación. Podés usar una y dejar las otras sin usar (con sus entradas atadas).

04 · Alimentación

VCC, GND y el capacitor de 100 nF

Un 74HC acepta de 2 a 6 V de alimentación; en el curso se usa 5 V (de un regulador 7805, una fuente de laboratorio o el USB). Lo importante es que la alimentación llegue limpia y que cada chip tenga a mano una reserva de energía.

Por qué hace falta desacople

Cada vez que una puerta conmuta, la salida carga o descarga la capacidad de lo que tiene conectado y absorbe un pico muy breve de corriente de la alimentación. Los cables de la protoboard tienen inductancia: ese pico, al pasar por ellos, provoca un bache de tensión justo en los pines del chip. Si varias puertas conmutan juntas, los baches son grandes y el chip se confunde: picos, falsos disparos, reinicios.

La solución

Un capacitor cerámico de 100 nF (0,1 µF) entre VCC y GND, lo más cerca posible de los pines 14 y 7. Hace de reserva local: entrega el pico de corriente de inmediato, sin esperar a la fuente lejana. Se llama capacitor de desacople o de bypass.

Cuántos y dónde

Uno por chip, pegado a sus pines de alimentación (no al borde de la placa). Además, uno electrolítico de 10 a 100 µF en la entrada de alimentación de la placa, como reserva general.

Cables de alimentación

Corto, grueso y con un solo punto de GND común. Por convención: rojo a +5 V y negro a GND. Un cable de masa largo y compartido es la causa de muchos errores.

05 · Entradas

Niveles de entrada y entradas libres

Una entrada lógica interpreta un voltaje como 0 o como 1 comparándolo con dos umbrales: VIL (el máximo voltaje que todavía se lee como 0) y VIH (el mínimo que ya se lee como 1). Entre los dos hay una zona prohibida donde el resultado es impredecible (Tema 3).

Es la razón de la T en HCT: el mismo chip con la entrada diseñada para entender niveles TTL y de 3,3 V cuando se alimenta con 5 V. Para pasar de 3,3 V a 5 V sin conversor, suele alcanzar un 74HCT. En el sentido contrario (5 V hacia una entrada de 3,3 V) no se puede conectar directo: la entrada no tolera más de VCC + 0,5 V.

Entradas que sobran

Una entrada CMOS flotante actúa como una antena: capta ruido, la puerta oscila y consume corriente de más, y esa oscilación se acopla a las puertas vecinas del mismo chip. Por eso las entradas de las puertas sin usar se atan a un valor fijo.

06 · Salidas

Cuánta corriente, cuántas entradas, cuánto consumo

Una salida HC es simétrica: puede entregar corriente (nivel alto) o absorberla (nivel bajo) más o menos por igual. Los números a recordar:

Fan-out

Cuántas entradas puede manejar una salida. Una entrada CMOS casi no consume corriente continua (microamperios de fuga), así que la limitación no es la corriente sino la capacidad: cada entrada suma unos pocos picofaradios que la salida debe cargar y descargar, y eso la hace más lenta. Con decenas de entradas HC sigue funcionando; solo conviene un buffer cuando la señal debe ser rápida.

Consumo en reposo

Del orden de microamperios para el chip entero: una de las ventajas de CMOS frente a los TTL, que gastaban miliamperios.

Consumo dinámico

Cada conmutación carga y descarga una capacidad C. La potencia es P ≈ C · V² · f: crece con la frecuencia y con el cuadrado de la tensión. A 1 Hz es nada; a decenas de MHz puede notarse.

Velocidad

El retardo de una puerta HC a 5 V es del orden de 10 ns, lo que permite frecuencias de reloj de decenas de MHz. Para lo que hacés en el curso, sobra por varios órdenes de magnitud.

07 · La mesa de trabajo

Montar sin sufrir

1. 1
   Planificá antes de cablear.

   Escribí, pin por pin, qué va con qué (como el ejercicio 1). Con la hoja de datos delante, no de memoria.

2. 2
   Alimentación primero, sin chips puestos.

   Armá los rieles de la protoboard, medí 5 V entre ellos con el multímetro y recién después insertá los chips con la muesca bien orientada.

3. 3
   Desacople y entradas libres.

   El capacitor de 100 nF entre 14 y 7 de cada chip. Las entradas de las puertas sin usar, a GND.

4. 4
   Una puerta, un LED.

   Probá una sola puerta con sus botones (pull-down o pull-up) y un LED con resistencia. Recién cuando funciona, sumás la siguiente.

5. 5
   Medí antes de sospechar.

   Si algo falla, mirá con el multímetro: VCC en el pin 14 respecto del pin 7 (no respecto del riel), y las salidas (≈ 0 V o ≈ 5 V, nunca un valor intermedio).

Conexiones de protoboard

Los contactos de una protoboard se aflojan con el uso y los cables de mala calidad dejan de hacer contacto. Ante un fallo raro, mover un cable suele cambiarlo: sospechá del contacto antes que de la lógica.

Orden de colores

Rojo a +5 V, negro a GND, y otros colores para señales. Parece cosmético, pero evita invertir la alimentación, que destruye un chip en un instante.

Herramientas mínimas

Multímetro, fuente de 5 V estable, un puñado de resistencias (330 Ω, 680 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ), capacitores de 100 nF, LED, pulsadores y cables. El osciloscopio y el analizador lógico llegan después.

08 · Simulador

Laboratorio: montaje virtual

El simulador dibuja un chip DIP-14 visto desde arriba. Elegís el chip y la puerta que usás, fijás las entradas, y el laboratorio resalta los pines exactos que corresponden. Además podés «romper» el montaje (quitar la alimentación, el capacitor o atar las entradas libres) y ver qué diagnóstico le corresponde, y elegir la resistencia del LED para ver cuánta corriente le exige a la salida.

• Pines naranjas: VCC (14) y GND (7). Sin ellos no hay nada.
• Pines amarillos o turquesa: las entradas y la salida de la puerta elegida, con sus valores.
• Pines grises: las demás puertas. Sus entradas aparecen atadas a GND o, si desactivás esa opción, flotando (en rojo).
• Esquema de la derecha: el capacitor de desacople entre VCC y GND.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el montaje inicial: 74HC08, puerta 1.

   Entradas en los pines 1 y 2, salida en el 3, alimentación en 14 y 7. Las otras tres puertas tienen sus entradas atadas a GND. Con los dos botones en 1, la salida da 1 y el LED recibe unos 3 mA.

2. 2
   Pasá a la puerta 3 con A = 1 y B = 0.

   Ahora las entradas son los pines 9 y 10 y la salida es el pin 8: la salida está antes que las entradas. El AND da 0 y el LED se apaga. El patrón de pines no es «entradas, salida» en todas las puertas.

3. 3
   Cambiá a 74HC02 con la puerta 1.

   La salida pasa al pin 1 y las entradas a los pines 2 y 3. Es el chip de pines distintos: si lo pusieras en la placa del 74HC00 sin mirar, el cableado no coincidiría.

4. 4
   Probá 74HC04, puerta 3.

   Una sola entrada (pin 5) y una salida (pin 6). Seis puertas independientes ocupan los doce pines de señal.

5. 5
   Desactivá el capacitor.

   La lógica sigue dando el mismo Y, pero el diagnóstico avisa que el montaje fallará «a veces». En la realidad, el síntoma aparece cuando conmutan varias puertas a la vez.

6. 6
   Desactivá la atadura de entradas.

   Los pines de las puertas sin usar se ponen en rojo y flotan. La salida de tu puerta no cambia en el simulador, pero en una placa real el ruido de las vecinas se acopla.

7. 7
   Probá resistencias de LED de 150 Ω a 2,2 kΩ.

   Con 150 Ω la corriente supera los 4 mA recomendados (unos 16 mA): el LED brilla, pero la puerta trabaja forzada. Con 820 Ω queda dentro de lo cómodo. Con 2,2 kΩ el LED casi no se ve.

Preguntas para pensar

1. Con el 74HC08 y la puerta 3 con A = 1 y B = 0, ¿cuánto vale Y y en qué pines está cada señal?
2. Cambiá a 74HC86 con los mismos A y B. ¿Qué cambia y qué se mantiene?
3. ¿Qué dos pines alimentarías en la mesa sí o sí y qué capacitor va entre ellos?
4. ¿Por qué un montaje con todas las lógicas correctas puede fallar «a veces»?

09 · Pines y números en código

Mapas y presupuestos antes de cablear

Estos bloques guardan el mapa de pines de los chips del curso y lo verifican, calculan resistencias comerciales y el driver de un transistor, estiman el consumo dinámico, comparan los niveles de entrada de HC y HCT y automatizan la lista de chequeo ante un montaje que falla.

Paso 1: el mapa de pines, verificado

# cada puerta es (entradas..., salida)
CUATRO_2E = [(1, 2, 3), (4, 5, 6), (9, 10, 8), (12, 13, 11)]   # 00, 08, 32, 86
NOR_02 = [(2, 3, 1), (5, 6, 4), (8, 9, 10), (11, 12, 13)]       # 02
SEIS_NOT = [(1, 2), (3, 4), (5, 6), (9, 8), (11, 10), (13, 12)]  # 04, 14

CHIPS = {
    "74HC00": ("NAND", CUATRO_2E),
    "74HC08": ("AND", CUATRO_2E),
    "74HC32": ("OR", CUATRO_2E),
    "74HC86": ("XOR", CUATRO_2E),
    "74HC02": ("NOR", NOR_02),
    "74HC04": ("NOT", SEIS_NOT),
}

for chip, (funcion, puertas) in CHIPS.items():
    usados = [p for g in puertas for p in g]
    assert len(usados) == len(set(usados)), "un pin repetido"
    assert 7 not in usados and 14 not in usados, "tocaste la alimentación"
    assert len(usados) + 2 == 14, "faltan pines"
    print(f"{chip} ({funcion}): VCC=14, GND=7")
    for n, g in enumerate(puertas, 1):
        print(f"   puerta {n}: entradas {g[:-1]} -> salida {g[-1]}")

Cada chip usa 12 pines de señal más los dos de alimentación, sin repetir ninguno. Las puertas 3 y 4 del 74HC00 son (9, 10 → 8) y (12, 13 → 11); las del 74HC02, (8, 9 → 10) y (11, 12 → 13).

Paso 2: resistencia comercial y driver con transistor

E12 = (1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2)


def e12_mayor(r):
    dec = 1
    while True:
        for v in E12:
            if v * dec >= r - 1e-9:
                return v * dec
        dec *= 10


def e12_menor(r):
    mejor, dec = None, 1
    while dec <= r * 10:
        for v in E12:
            if v * dec <= r + 1e-9:
                mejor = v * dec
        dec *= 10
    return mejor


VOH, VF, VCC = 4.4, 2.0, 5.0       # tensión de salida alta, caída del LED, alimentación

# LED directo a 4 mA
r = (VOH - VF) / 0.004
comercial = e12_mayor(r)
print(f"LED directo: R >= {r:.0f} Ω -> {comercial:.0f} Ω -> {(VOH - VF) / comercial * 1000:.1f} mA")

# LED de 20 mA con un 2N2222 (saturación forzada, beta = 10)
r_led = (VCC - VF - 0.2) / 0.020
rl = e12_mayor(r_led)
ib = 0.020 / 10
r_b = (VOH - 0.7) / ib
rb = e12_menor(r_b)
print(f"driver: R LED = {r_led:.0f} Ω -> {rl:.0f} Ω ({(VCC - VF - 0.2) / rl * 1000:.1f} mA)")
print(f"        R base = {r_b:.0f} Ω -> {rb:.0f} Ω (Ib = {(VOH - 0.7) / rb * 1000:.2f} mA, la puerta da {ib * 1000:.0f} mA)")

Directo a 4 mA: R ≥ 600 Ω, comercial 680 Ω (≈ 3,5 mA). Con transistor: R del LED 150 Ω (≈ 19 mA) y R de base 1,8 kΩ (≈ 2 mA de la puerta). La resistencia del LED se redondea hacia arriba; la de base, hacia abajo.

Paso 3: consumo dinámico

def eng(x, unidad):
    for factor, pref in ((1, ""), (1e-3, "m"), (1e-6, "µ"), (1e-9, "n"), (1e-12, "p")):
        if abs(x) >= factor:
            return f"{x / factor:.3g} {pref}{unidad}"
    return f"{x:.3g} {unidad}"


C, V = 50e-12, 5.0                  # 50 pF de carga total en la salida, 5 V
print("   f          I = C·V·f     P = C·V²·f")
for f, nombre in ((1, "1 Hz"), (1e3, "1 kHz"), (1e6, "1 MHz"), (10e6, "10 MHz")):
    print(f"{nombre:>7}   {eng(C * V * f, 'A'):>10}   {eng(C * V * V * f, 'W'):>10}")

A 1 MHz con 50 pF la salida consume unos 0,25 mA (1,25 mW); a 10 MHz, diez veces más. A 1 Hz, nanovatios: el consumo es proporcional a la frecuencia.

Paso 4: ¿qué lee la entrada?

def lee(v, vcc, familia):
    if familia == "HC":
        vih, vil = 0.7 * vcc, 0.3 * vcc
    else:                                   # HCT
        vih, vil = 2.0, 0.8
    return 1 if v >= vih else 0 if v <= vil else "?"


def entrada_segura(v, vcc):
    return -0.5 <= v <= vcc + 0.5


casos = (("CMOS 5 V, alto", 4.9), ("CMOS 3,3 V, alto", 3.3), ("TTL, alto", 3.4),
         ("TTL, bajo", 0.35), ("CMOS 3,3 V, bajo", 0.1))
print("fuente                HC   HCT")
for nombre, v in casos:
    print(f"{nombre:<20}   {lee(v, 5.0, 'HC')!s:>3}   {lee(v, 5.0, 'HCT')!s:>3}")

print("5 V sobre un chip de 3,3 V ¿seguro?", entrada_segura(5.0, 3.3))
print("3,3 V sobre un chip de 5 V ¿seguro?", entrada_segura(3.3, 5.0))

Un «1» de 3,3 V o de TTL (3,4 V) cae en la zona prohibida de un HC alimentado con 5 V (?), pero un HCT lo lee bien. En sentido contrario, 5 V sobre un chip de 3,3 V no es seguro.

Paso 5: la lista de chequeo como código

CHECKLIST = [
    ("alimentación", "VCC en pin 14 y GND en pin 7, medidos en el chip", "no funciona"),
    ("desacople", "100 nF entre 14 y 7, pegado al chip", "falla a veces al conmutar"),
    ("entradas", "todas las entradas atadas, también las de puertas sin usar", "ruido y consumo"),
    ("carga", "cada salida dentro de ±4 mA, con resistencia en el LED", "chip caliente, niveles degradados"),
    ("niveles", "los niveles de quien maneja la entrada son compatibles", "lecturas ambiguas"),
]


def auditar(montaje):
    problemas = []
    for clave, que_revisar, sintoma in CHECKLIST:
        ok = montaje.get(clave, False)
        print(f"{'✓' if ok else '✗'} {clave:<13} {que_revisar}")
        if not ok:
            problemas.append((clave, sintoma))
    return problemas


# un montaje que «a veces anda»
mio = {"alimentación": True, "desacople": False, "entradas": False, "carga": True, "niveles": True}
for clave, sintoma in auditar(mio):
    print(f"-> revisar {clave}: síntoma típico = {sintoma}")

Se recorre en orden: primero la alimentación, después el desacople, las entradas, la carga y los niveles. El 90 % de los «a veces anda» vive en estos cinco puntos.

10 · Analogía de programador

Datasheet, interfaz y entorno

1. 1
   Datasheet = documentación de la API.

   Pinout, límites y tiempos: se lee antes de usar, no después de quemar.

2. 2
   Entrada flotante = variable sin inicializar.

   Parece funcionar por casualidad. Atarla es declarar un valor inicial.

3. 3
   Desacople = caché de energía.

   Sin ella, cada conmutación espera a que llegue la corriente desde lejos: llegan tarde y el chip se confunde.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios de mesa

Ejercicio 1: primer montaje

Armá con un 74HC08 la puerta 1 como AND de dos pulsadores con pull-down de 10 kΩ y un LED con su resistencia. Listá las conexiones pin por pin, incluyendo qué hacés con las otras tres puertas.

Ejercicio 2: LED brillante

El LED de 680 Ω se ve poco. Diseñá un driver con un 2N2222 para 20 mA: resistencia del LED y de la base. Verificá con el Paso 2.

Ejercicio 3: auditar la protoboard

Un circuito «a veces falla». ¿En qué orden revisás las cinco cosas de la lista de chequeo y por qué?

Ejercicio 4: leer un mapa de pines

Indicá las entradas y la salida de las puertas 3 y 4 de un 74HC02, y las de un 74HC00. ¿Qué pasa si cableás un 02 como si fuera un 00?

Ejercicio 5: tensiones distintas

Un microcontrolador de 3,3 V debe manejar un 74HC00 alimentado a 5 V. ¿Funciona con HC? ¿Y con HCT? ¿Y si el 74HC00 manda una señal hacia ese microcontrolador?

Ejercicio 6: consumo a distintas frecuencias

Una puerta conmuta con 50 pF de carga a 5 V. ¿Qué corriente y qué potencia promedio aporta a 1 MHz y a 10 MHz? Verificá con el Paso 3.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 13?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir en qué pines se alimenta un DIP-14 y qué componente va entre ellos.
• Indicar las entradas y la salida de la puerta 2 de un 74HC08 y de la puerta 1 de un 74HC02.
• Calcular la resistencia de un LED a 4 mA con una salida de 4,4 V.
• Explicar por qué una entrada flotante es un problema y cómo se resuelve.
• Decir por qué un 74HC no lee bien un «1» de 3,3 V cuando está alimentado a 5 V.
• Enumerar el orden de la lista de chequeo ante un fallo intermitente.

La mesa está lista y las puertas, conocidas. Ahora hay que aprender a achicar los circuitos antes de armarlos: en el próximo tema, álgebra booleana.