Puertas lógicas: qué son, cómo funcionan y tablas de verdad

Descubre qué son las puertas lógicas, cómo funcionan y aprende sus tablas de verdad con ejemplos prácticos para entender la lógica booleana y diseñar circuitos digitales.

Una puerta lógica es un componente electrónico que puede utilizarse para conducir la electricidad basándose en una regla. La salida de la puerta es el resultado de aplicar esa regla a una o varias "entradas". Estas entradas pueden ser dos hilos, más hilos, o la salida de otras puertas lógicas, lo que permite construir circuitos complejos a partir de bloques simples.

Las puertas lógicas son componentes digitales. Normalmente funcionan con sólo dos niveles de tensión, un nivel positivo y un nivel cero. Comúnmente funcionan en base a dos estados: Encendido y Apagado. En el estado On, la tensión es positiva. En el estado Apagado, el voltaje es cero. El estado Encendido suele utilizar una tensión en el rango de 3,5 a 5 voltios. Este rango puede ser menor para algunos usos (por ejemplo, familias CMOS modernas que operan a 3,3 V, 1,8 V o menos).

Las puertas lógicas comparan el estado de sus entradas para decidir cuál debe ser el estado de su salida. Una puerta lógica está encendida o activa cuando sus reglas se cumplen correctamente. En ese momento, la electricidad fluye a través de la puerta y el voltaje en su salida está al nivel de su estado On.

Las puertas lógicas son versiones electrónicas de la lógica booleana. Las tablas de verdad muestran cuál será la salida en función de todas las combinaciones posibles de sus entradas; a partir de ellas se puede deducir la expresión booleana asociada a la puerta y diseñar circuitos que cumplan una función dada.

Tipos principales de puertas lógicas

• AND: la salida es 1 sólo si todas las entradas son 1. (Expresión: A · B)
• OR: la salida es 1 si al menos una entrada es 1. (Expresión: A + B)
• NOT (inversor): invierte el valor de la entrada; 0 → 1 y 1 → 0. (Expresión: ¬A)
• NAND: es la negación de AND; salida 0 sólo si todas las entradas son 1. Es una puerta universal. (Expresión: ¬(A · B))
• NOR: es la negación de OR; salida 1 sólo si todas las entradas son 0. (Expresión: ¬(A + B))
• XOR (o exclusivo): la salida es 1 si el número de entradas en 1 es impar (para dos entradas, 1 cuando A≠B). (Expresión: A ⊕ B)
• XNOR (o equivalencia): la negación de XOR; salida 1 si las entradas son iguales. (Expresión: ¬(A ⊕ B))

Tablas de verdad: cómo interpretarlas

Una tabla de verdad enumera todas las combinaciones posibles de entradas y la salida correspondiente. Ejemplos para dos entradas (A y B):

• AND:
  • A=0, B=0 → salida 0
  • A=0, B=1 → salida 0
  • A=1, B=0 → salida 0
  • A=1, B=1 → salida 1
• OR:
  • A=0, B=0 → salida 0
  • A=0, B=1 → salida 1
  • A=1, B=0 → salida 1
  • A=1, B=1 → salida 1
• XOR:
  • A=0, B=0 → salida 0
  • A=0, B=1 → salida 1
  • A=1, B=0 → salida 1
  • A=1, B=1 → salida 0
• NOT (una entrada):
  • A=0 → salida 1
  • A=1 → salida 0

Expresiones booleanas y simplificación

Las tablas de verdad se pueden transformar en expresiones booleanas (sumas de productos o productos de sumas). Mediante las reglas del álgebra booleana y técnicas como Karnaugh o mapas de Karnaugh se puede simplificar una función lógica para reducir el número de puertas necesarias. Leyes útiles: conmutativa, distributiva, identidad, anulativa y las Leyes de De Morgan, que convierten AND en OR y viceversa mediante negaciones (por ejemplo, ¬(A·B) = ¬A + ¬B).

Implementaciones físicas y familias lógicas

Las puertas lógicas se implementan en distintas tecnologías:

• TTL (Transistor–Transistor Logic): históricamente común, opera típicamente a 5 V y tiene ciertas características de velocidad y consumo.
• CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor): más eficiente en consumo, permite operar a tensiones más bajas (3,3 V, 1,8 V, etc.) y es dominante en integrados modernos.
• Existen implementaciones en FPGAs, CPLDs y circuitos integrados específicos (ICs) que contienen muchas puertas en un solo chip.

Parámetros prácticos a considerar

• Niveles lógicos: los voltajes que representan 0 y 1 dependen de la familia; por ejemplo TTL interpreta >2 V como 1 y <0.8 V como 0, mientras que CMOS tiene sus propios umbrales.
• Retardo de propagación: tiempo que tarda un cambio en la entrada en reflejarse en la salida (ns). Afecta la velocidad máxima del circuito.
• Fan-in: número máximo de entradas que puede tener una puerta sin degradar su funcionamiento.
• Fan-out: número de entradas de otras puertas que puede manejar una salida sin que el voltaje se degrade.
• Consumo y disipación: importante al diseñar circuitos con muchas puertas.

Puertas universales y diseño

Las puertas NAND y NOR son “universales”: con combinaciones de sólo NAND (o sólo NOR) se puede implementar cualquier función booleana. Esto simplifica el diseño y la fabricación de circuitos integrados.

Combinacional vs. secuencial

Las puertas lógicas se usan para construir:

• Circuitos combinacionales: la salida depende únicamente de las entradas actuales (ej.: sumadores, multiplexores).
• Circuitos secuenciales: la salida depende de entradas actuales y del estado previo (memoria), usando elementos como flip-flops y registros.

Ejemplos prácticos y uso

• Construir un sumador de 1 bit requiere puertas XOR para la suma y AND/OR para el acarreo.
• Un multiplexor selecciona entre varias señales usando puertas AND, OR y selectores.
• Los microprocesadores y la mayoría de dispositivos digitales combinan miles o millones de puertas lógicas en bloques organizados.

En resumen, las puertas lógicas son los bloques básicos de la electrónica digital. Conocer su comportamiento (tablas de verdad), sus expresiones booleanas y sus características eléctricas permite diseñar desde pequeñas funciones hasta sistemas digitales complejos.

Puerta lógica AND

Las compuertas AND tienen dos entradas. La salida de una puerta AND está encendida sólo si ambas entradas están encendidas. Si al menos una de las entradas está apagada, la salida estará apagada.

Utilizando la imagen de la derecha, si A y B están ambos en estado On, la salida (out) estará en estado On. Si A o B están en estado Apagado, la salida también estará en estado Apagado. A y B deben estar On para que la salida esté On.

Tabla de la verdad
ENTRADA		SALIDA
A	B	A Y B
En	En	En
En	Off	Off
Off	En	Off
Off	Off	Off

 
Una idea general del símbolo de una puerta lógica AND  

Puerta lógica OR

Las compuertas OR tienen dos entradas. La salida de una puerta OR estará encendida si al menos una de las entradas está encendida. Si ambas entradas están apagadas, la salida estará apagada.

Utilizando la imagen de la derecha, si A o B están Encendidos, la salida (out) también lo estará. Si tanto A como B están Apagados, la salida estará Apagada.

Tabla de la verdad
ENTRADA		SALIDA
A	B	A O B
En	En	En
En	Off	En
Off	En	En
Off	Off	Off

 
Una idea general de un símbolo para una puerta lógica OR  

Puerta lógica NOT

La puerta lógica NOT sólo tiene una entrada. Si la entrada está en On, la salida estará en Off. En otras palabras, la puerta lógica NOT cambia la señal de On a Off o de Off a On. A veces se le llama inversor.

Tabla de la verdad
ENTRADA	SALIDA
A	NO A
Off	En
En	Off

 
Una idea general de un símbolo para una puerta lógica NOT  

Puerta lógica XOR

Las compuertas XOR ("or exclusivo") tienen dos entradas. La salida de una puerta XOR será verdadera sólo si las dos entradas son diferentes entre sí. Si ambas entradas son iguales, la salida estará desactivada.

Tabla de la verdad
ENTRADA		SALIDA
A	B	A XOR B
En	En	Off
En	Off	En
Off	En	En
Off	Off	Off

 
Una idea general de un símbolo para una puerta lógica XOR  

Puerta lógica NAND

NAND significa "no ambos". Se llama NAND porque significa "no y". Esto significa que siempre dará una salida verdadera a menos que ambas entradas estén activadas.

Tabla de la verdad
ENTRADA		SALIDA
A	B	A NAND B
En	En	Off
En	Off	En
Off	En	En
Off	Off	En

 
Una idea general del símbolo de una puerta lógica NAND  

Puerta lógica XNOR

XNOR significa "no exclusivo o". Esto significa que sólo dará una salida verdadera si ambas entradas son iguales. Es lo contrario de una puerta lógica XOR.

Tabla de la verdad
ENTRADA		SALIDA
A	B	A XNOR B
En	En	En
En	Off	Off
Off	En	Off
Off	Off	En

 
Una idea general de un símbolo para una puerta lógica XNOR  

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es una puerta lógica?

P: ¿Cómo funcionan las puertas lógicas?

P: ¿Qué tipo de lógica utilizan las puertas lógicas?

P: ¿Son iguales todos los voltajes para un estado "On"?

P: ¿Todos los tipos de puertas lógicas tienen dos entradas?

P: ¿Siempre fluye electricidad a través de una puerta lógica cuando está activa?

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