Familias lógicas
Márgenes de ruido
El ruido electrónico es una perturbación no deseada de las señales eléctricas. Este fenómeno ocurre en todos los circuitos electrónicos, pudiendo llegar a afectar seriamente al comportamiento del circuito o a la transmisión de la información. Puede tener muy diversos orígenes, desde las fluctuaciones aleatorias del movimiento de los electrones debidas a encontrarnos a temperaturas por encima del cero absoluto, a las colisiones con átomos de la red cristalina, presencia de defectos en los materiales, perturbaciones debidas a campos electromagnéticos, etc.
Se trata de un fenómeno que no puede evitarse y que siempre va a estar presente en mayor o menor medida. Si bien no puede eliminarse del todo, sí se puede intentar reducir sus efectos o minimizarlos. Los circuitos digitales, al tratar señales en rangos de valores (y no valores concretos, como en las señales analógicas) permiten transmitir la información con mayores garantías.
Imaginemos que queremos enviar una señal desde el una puerta lógica a otra. La primera puerta producirá como resultado un "cero" o un "uno", que no serán en realidad más que valores de voltaje dentro de unos rangos. Supongamos que la salida es un uno, con un valor de voltaje cercano al límite inferior del rango alto (\(V_{OH}\)). Esa señal se transmite a la entrada de otra puerta: si la transmisión fuera perfecta, sería detectada por el circuito receptor como un uno, pero al existir el fenómeno del ruido electrónico, puede que sea recibida fuera del rango que el circuito receptor interpreta como un uno: se habría producido un error de transmisión.
Este problema tiene afortunadamente solución, que pasa por definir rangos de entrada más amplios para los ceros y para los unos en la entrada de las puertas lógicas. Así puede tenerse en cuenta el posible efecto perturbador del ruido y evitar errores de transmisión. A la diferencia entre los niveles de entrada y de salida se les denomina márgenes de ruido, y se muestran en color gris en la figura.
Existirán por tanto dos valores para el margen de ruido, un valor alto (NMH) y un valor bajo (NML), que se calcularán de la siguiente manera:
$$NMH = V_{OH} - V_{IH} $$ $$NML = V_{IL} - V_{OL} $$En el gráfico interactivo se muestran un inversor CMOS, para el cual vamos a calcular sus márgenes de ruido. Usualmente estos valores se determinan a partir de los puntos en los que la pendiente de la curva de transferencia de voltaje toma valor -1 (ello corresponde a los puntos en los que la ganancia diferencial pasa de minimizar el ruido a amplificarlo). El punto más alto para el que se cumple esta condición determina \(V_{OH}\) y \(V_{IL}\), mientras que el punto más bajo determina \(V_{OL}\) y \(V_{IH}\). En el gráfico se pueden elegir los valores de los parámetros de los transistores para establecer los márgenes de ruido. Debe tenerse en cuenta de que tanto NMH como NML deben ser positivos: es decir, no puede ser que \(V_{OH}\) sea menor que \(V_{IH}\) o que \(V_{IL}\) sea menor que \(V_{OL}\).