Niveles lógicos TTL y CMOS

01 · Punto de partida

2,7 V: ¿uno o ninguno?

Un chip TTL entrega, cuando dice «1», al menos 2,7 V. Un chip 74HC exige 3,5 V para estar seguro de que lee un 1. Si conectás el primero a la entrada del segundo, el valor está en tierra de nadie: 2,7 V es un 1 para el emisor y una incógnita para el receptor.

Para un programador es la diferencia entre un contrato de API documentado y un comportamiento observado: sobre lo primero se construye; lo segundo sirve hasta el próximo despliegue.

• ¿Qué promete cada uno de los cuatro números?
• ¿Cuánto margen contra el ruido queda en cada nivel?
• ¿Puede un TTL manejar a un CMOS, y al revés?
• ¿Qué pasa entre 5 V y 3,3 V?
• ¿Qué se hace cuando dos familias no se entienden?

02 · Contrato

Los cuatro voltajes

Cada familia lógica publica cuatro valores, dos que promete la salida y dos que exige la entrada. La conexión funciona cuando lo que se promete cumple con lo que se exige.

Fijate en la simetría: lo que una salida entrega (VOL, VOH) debe quedar siempre más adentro de lo que la entrada tolera (VIL, VIH). La diferencia entre ambos es el margen de ruido que ya conocés del Tema 1, ahora calculado con dos familias distintas.

El orden en una conexión sana es siempre ese: VOL < VIL < VIH < VOH. Si ves dos de estos números invertidos, hay un problema.

03 · TTL

El veterano de 5 V

La lógica transistor-transistor (TTL) nació en los años sesenta y dominó hasta los ochenta. Su versión más común es la serie 74LS. Se alimenta con 5 V y está hecha con transistores bipolares, por lo que consume corriente continuamente.

Con esos números: margen bajo = 0,8 − 0,5 = 0,3 V; margen alto = 2,7 − 2,0 = 0,7 V. Son márgenes asimétricos y justos. El TTL perdona poco por abajo: 300 mV de ruido sobre un 0 y ya estás en la frontera.

Por qué asimétrico

La salida TTL en alto no llega a Vcc: queda a ≈ 2,7 V a 3,4 V por cómo está construida. En bajo sí baja casi a tierra, pero la hoja de datos garantiza solo hasta 0,5 V para cualquier unidad y carga.

Entrada flotante

Una entrada TTL sin conectar «flota» hacia el nivel alto (por su circuito de entrada). Funciona, pero un cable suelto es una antena. En la práctica se conecta siempre a un nivel definido.

Consumo

Del orden de miliamperios por puerta, aun sin cambiar de estado. Una placa con cien puertas TTL consume cientos de mA de forma constante.

04 · CMOS

El dueño del presente

La lógica CMOS usa transistores MOSFET complementarios: uno que conecta la salida a Vcc y otro que la conecta a tierra, nunca los dos a la vez. Por eso la salida llega casi al extremo de cada riel, y por eso en reposo prácticamente no consume. La serie 74HC (alta velocidad) es la más difundida; 74HCT es una variante con entradas compatibles con TTL.

HC es simétrico y generoso: 1,4 V de margen por lado, el mejor de la tabla para ambientes ruidosos. HCT sacrifica margen en el bajo (0,7 V) pero adopta los umbrales de entrada del TTL (0,8 y 2,0 V), lo que le permite recibir de un TTL. La «T» es la que le da ese dialecto.

Un detalle más sobre el consumo de CMOS: es casi nulo en reposo, pero crece con la frecuencia, porque cada vez que la salida cambia hay que cargar y descargar capacidades. Un 74HC a 10 MHz consume bastante más que a 1 kHz. Lo vas a ver en el Tema 29.

05 · Compatibilidad

Quién habla con quién

Para decidir si el emisor A puede manejar al receptor B se hacen tres chequeos, siempre en este orden:

1. 1
   Sobretensión.

   ¿El VOH del emisor supera la tensión máxima que tolera la entrada del receptor (típicamente Vcc + 0,5 V)? Si es así, hay riesgo de daño y no se sigue.

2. 2
   Nivel bajo.

   ¿VOL del emisor ≤ VIL del receptor? El margen es VIL − VOL; tiene que ser positivo y mayor que el ruido esperado.

3. 3
   Nivel alto.

   ¿VOH del emisor ≥ VIH del receptor? El margen es VOH − VIH; ídem.

TTL → TTL ✓

0,3 / 0,7 V de margen: anda, pero justo por abajo.

HC → TTL ✓✓

4,9 V ≥ 2,0 V y 0,1 V ≤ 0,8 V: sobrado por ambos lados. Las salidas CMOS manejan a TTL sin problemas.

TTL → HC ✗

2,7 V < 3,5 V: el alto no llega. La solución es usar HCT (que acepta 2,0 V) o subir la señal con un pull-up a 5 V.

HC 5 V → 3,3 V ⚠

4,9 V supera Vcc + 0,5 = 3,8 V: sobretensión que puede dañar la entrada. Divisor resistivo o conversor de nivel.

TTL o 3,3 V → HCT ✓

Con HCT el 2,0 V de VIH alcanza a ambos. Es el traductor barato más usado entre 3,3 V y 5 V en el sentido ascendente.

06 · Remedios

Cuando no se entienden

Si la matriz dice NO o RIESGO, no se «prueba a ver si anda». Se elige un remedio por la causa del problema:

Un ejemplo de divisor: de 5 V a 3,3 V con 1 kΩ en serie y 2 kΩ a masa. La salida en alto de 4,9 V baja a 4,9 × 2 / 3 ≈ 3,27 V, y el 0,1 V del bajo a ≈ 0,07 V. Funciona para señales lentas, pero no para las rápidas: la resistencia con la capacidad de la entrada forma un filtro que redondea los flancos (Tema 2).

07 · Simulador

Laboratorio: ¿se entienden?

Elegí qué familia habla (emisor) y cuál escucha (receptor). El simulador pone las dos en una misma escala de voltaje, calcula los márgenes y te dice si la conexión es segura. También podés inyectar ruido para ver si el margen sobrevive.

• Columna izquierda (emisor): lo que la salida promete. Turquesa: el bajo, de 0 a VOL. Amarillo: el alto, de VOH a Vcc.
• Columna derecha (receptor): lo que la entrada exige. Turquesa: lee 0 (hasta VIL). Rojo: prohibida. Amarillo: lee 1 (desde VIH).
• Segmentos del centro: los dos márgenes, verdes si alcanzan y rojos si faltan. La línea roja punteada es el límite de sobretensión (Vcc + 0,5 V del receptor).

Recorrido guiado (5 minutos)

1. 1
   Empezá con TTL → TTL.

   Márgenes de 0,3 V y 0,7 V: la conexión anda, pero con poca holgura abajo. Subí el ruido a 0,35 V y el veredicto cambia a «falla con ruido».

2. 2
   Cambiá el receptor a HC.

   La salida TTL promete 2,7 V pero el HC exige 3,5 V: el margen alto es negativo (−0,8 V), la barra se pone roja. Es el caso de la escena inicial.

3. 3
   Cambiá el receptor a HCT.

   El HCT tiene los umbrales de TTL (0,8 / 2,0): el margen alto vuelve a 0,7 V. Una letra arregló la conexión.

4. 4
   Probá HC → HC con ruido de 1 V.

   Solo sobreviven a 1 V de ruido las parejas con receptor HC y emisor CMOS de 5 V (HC → HC y HCT → HC): 1,4 V de margen por lado. Por eso HC es la elección para ambientes ruidosos.

5. 5
   Emisor HC, receptor 3,3 V.

   Los márgenes son buenos, pero el 4,9 V del emisor supera el límite de 3,8 V del receptor: sobretensión. El veredicto es «riesgo»: los márgenes solos no alcanzan.

6. 6
   Emisor 3,3 V, receptor HC.

   La salida de 2,9 V no llega a los 3,5 V que exige el HC. Cambiar a HCT lo arregla. Es el caso típico de conectar un micro de 3,3 V a un chip de 5 V.

Preguntas para pensar

1. Probá TTL → HC. ¿Qué margen falla y qué familia lo arregla?
2. Probá HC (5 V) → 3,3 V. ¿Es un problema de márgenes o de otra cosa? ¿Cómo se resuelve?
3. Con 0,5 V de ruido, ¿qué conexiones entre las cuatro familias siguen siendo seguras?

08 · Compatibilidad en código

Márgenes calculados

Las reglas del apartado 05 caben en una función. Escribirla hace explícita la lógica y permite probar familias inventadas antes de comprar nada.

Paso 1: márgenes de cada familia

Margen propio de una familia (su salida contra su propia entrada):

def margenes(nombre, vil, vih, vol, voh):
    mb = vil - vol
    ma = voh - vih
    print(f"{nombre}: margen bajo = {mb:.1f} V, margen alto = {ma:+.1f} V")
    return mb, ma


margenes("TTL", 0.8, 2.0, 0.5, 2.7)
margenes("HC @ 5 V", 1.5, 3.5, 0.1, 4.9)
margenes("HCT @ 5 V", 0.8, 2.0, 0.1, 4.9)
margenes("LVC @ 3,3 V", 0.8, 2.0, 0.2, 2.9)

TTL: 0,3 / 0,7. HC: 1,4 / 1,4. HCT: 0,7 / 2,9. LVC: 0,6 / 0,9. ¿Qué familia elegirías en un ambiente ruidoso a 5 V? ¿Y si el ruido es de 0,5 V?

Paso 2: la matriz completa

Los tres chequeos del apartado 05 (sobretensión, bajo, alto), aplicados a todas las parejas:

FAM = {"TTL": (0.8, 2.0, 0.5, 2.7, 5.0), "HC": (1.5, 3.5, 0.1, 4.9, 5.0),
       "HCT": (0.8, 2.0, 0.1, 4.9, 5.0), "LVC": (0.8, 2.0, 0.2, 2.9, 3.3)}


def enlace(emisor, receptor):
    _, _, vol, voh, _ = FAM[emisor]
    vil, vih, _, _, vcc = FAM[receptor]
    mb, ma = vil - vol, voh - vih
    if voh > vcc + 0.5:
        return f"RIESGO (sobretensión {voh:.1f} V)"
    if mb >= 0 and ma >= 0:
        return f"OK {mb:.1f}/{ma:.1f}"
    return f"NO {mb:+.1f}/{ma:+.1f}"


for e in FAM:
    print(e, "->", {r: enlace(e, r) for r in FAM})

Buscá las dos filas con RIESGO y las dos con NO. ¿Qué tienen en común las que fallan por márgenes? (Pista: el emisor tiene un VOH bajo.)

Paso 3: ¿sobrevive al ruido?

Un margen positivo no es suficiente: tiene que superar el ruido esperado. Esta función lista qué parejas aguantan cierta cantidad de ruido:

FAM = {"TTL": (0.8, 2.0, 0.5, 2.7, 5.0), "HC": (1.5, 3.5, 0.1, 4.9, 5.0),
       "HCT": (0.8, 2.0, 0.1, 4.9, 5.0), "LVC": (0.8, 2.0, 0.2, 2.9, 3.3)}


def aguanta(emisor, receptor, ruido):
    _, _, vol, voh, _ = FAM[emisor]
    vil, vih, _, _, vcc = FAM[receptor]
    if voh > vcc + 0.5:
        return False
    return (vil - vol) >= ruido and (voh - vih) >= ruido


for ruido in (0.2, 0.4, 0.8):
    pares = [f"{e}->{r}" for e in FAM for r in FAM if aguanta(e, r, ruido)]
    print(f"ruido {ruido} V: {len(pares)} parejas -> {pares}")

Con 0,2 V aguantan 12 parejas; con 0,4 V, 9; con 0,8 V, solo 2 (HC → HC y HCT → HC). Un diseño para ambientes ruidosos tiene muy pocas opciones: ¿cuál es la regla?

Paso 4: un divisor 5 V → 3,3 V

Verificamos la cuenta del apartado 06 para una señal de salida HC:

def divisor(vin, r1, r2):
    return vin * r2 / (r1 + r2)


for r1, r2 in ((1000, 2000), (2200, 3300), (4700, 10000)):
    alto = divisor(4.9, r1, r2)
    bajo = divisor(0.1, r1, r2)
    print(f"R1 = {r1} / R2 = {r2}: alto = {alto:.2f} V, bajo = {bajo:.2f} V "
          f"(límite 3,8 V: {'OK' if alto <= 3.8 else 'sobretensión'})")

Los tres cumplen el límite de 3,8 V, pero ¿cumplen el VIH de 2,0 V? Comprobalo. ¿Qué pasa con la velocidad si los resistores son grandes?

09 · Analogía de programador

Dialectos y enchufes

Si venís de programar, ya viviste el problema de dos sistemas que hablan «casi» el mismo idioma. Los niveles lógicos son la versión eléctrica de eso.

1. 1
   Familias = dialectos.

   Todas dicen 0 y 1, con acentos distintos. El traductor es el HCT o el conversor de nivel.

2. 2
   Margen = tolerancia.

   Aceptar «cerca» en lugar de «exacto» para sobrevivir al ruido: es validar con holgura.

3. 3
   Flotante = null.

   Una entrada sin definir: en CMOS es un null que a veces es 0 y a veces 1. Siempre se inicializa con un pull-up o pull-down.

Una diferencia importante: en software un contrato roto suele lanzar una excepción. En hardware un contrato de niveles roto no avisa: el circuito sigue andando mal, a veces bien. Por eso se diseña contra el peor caso garantizado y no contra «lo que medí en mi placa».

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Ejercicios de niveles

Ejercicio 1: sensor a 3,3 V

Un sensor con salida TTL (VOL 0,5 V, VOH 2,7 V) se conecta a un microcontrolador de 3,3 V (VIL 0,8 V, VIH 2,0 V). ¿Se puede conectar directo? Verificalo con enlace("TTL", "LVC").

Ejercicio 2: el pull-up del TTL al HC

Una salida TTL con un pull-up de 4,7 kΩ a 5 V maneja una entrada HC. ¿Qué cambia en el nivel alto? ¿Hay algún riesgo?

Ejercicio 3: ruido en un cable largo

Un cable largo inyecta hasta 0,5 V de ruido entre dos chips. ¿Qué parejas de la matriz sirven? Verificalo con aguanta() del Paso 3.

Ejercicio 4: divisor para 3,3 V

Diseñá un divisor para llevar un 1 de 4,9 V a ≈ 3,3 V con R1 = 1 kΩ. ¿Cuánto vale R2? ¿Qué lee el receptor en el bajo?

Ejercicio 5: leer una hoja de datos

Abrí la hoja de datos de un 74HC04 y buscá VIL, VIH, VOL y VOH a Vcc = 4,5 V y 6 V. ¿Son los mismos que usamos en el curso? ¿Por qué cambian con Vcc?

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 4?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Nombrar los cuatro voltajes y decir cuáles promete la salida y cuáles exige la entrada.
• Calcular el margen de ruido bajo y alto de una conexión TTL → TTL.
• Explicar por qué un TTL no maneja a un 74HC y qué familia lo soluciona.
• Decir qué riesgo hay al conectar una salida de 5 V a una entrada de 3,3 V.
• Explicar por qué una entrada CMOS nunca debe quedar flotando.
• Elegir una familia para un ambiente ruidoso a 5 V y justificarlo.

Ya sabés qué voltajes valen como bit. Ahora a contar con ellos: en el próximo tema, binario y hexadecimal.