Hoy en día, más del 99% de los transistores en uso activo funcionan con otro transistor.
Simplificando se podría decir que casi cualquier circuito integrado está formado por transistores que hacen varias cosas.
Un transistor no es realmente un interruptor, el que mencionas, un transistor de unión bipolar, es un amplificador de corriente. Pero, dejemos eso a un lado por ahora, sólo hay que saber que realmente no conmutan, pero que en muchos diseños de mis primeros esquemas se pueden ver como un interruptor porque se permite ignorar la pequeña parte del comportamiento que hace que no sea exactamente eso.
Así que en lo que sigue vamos a suponer que el transistor es realmente un interruptor, que enciende el camino de la corriente entre su colector y su emisor cuando una corriente fluye en la dirección correcta a través de la base. Porque voy a tener cierto cuidado en mis imágenes para asegurarme de que esa suposición funcione.
Un transistor:
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simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
Es un único transistor de tipo NPN. Hay dos tipos: NPN y PNP, funcionan casi completamente igual, sólo que el PNP tiene las corrientes que fluyen al revés. Una vez más, por ahora, ignorar PNP existen, no correr antes de caminar, sólo sabemos NPN.
Hagamos que haga algo: dejemos que controle un LED. (siéntete libre de seguir con esto, si tienes una protoboard a mano, por cierto).
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El LED es rosa, porque los LEDs rosas son geniales.
Ahora, si el transistor se enciende, el LED se encenderá: En un transistor NPN no se "permite" el paso de corriente del colector al emisor si la base no está activada. Si la base es activado, se permitirá el paso de la corriente y al transistor le gustará mucho si lo diseñas de forma que la corriente vaya del colector al emisor en un tipo NPN.
¿Cómo se activa la base? Forzando un poco de corriente en ella. Así que, primer paso, dejar que un humano controle la base:
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Al pulsar el interruptor, la corriente pasa de los +5V a través de R2 a la base del transistor Q1. Entonces el colector permitirá que la corriente fluya hacia el emisor, porque el LED también querrá conducir la corriente en esa dirección, el LED ahora se encenderá.
Ahora, aquí es donde te quedas atascado: ¿Qué pasa si " I "¿No quieres pulsar un botón?
Bueno.... podríamos tener otro transistor ahí:
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Pero... ¡la misma diferencia! ¡Ahora sólo tenemos otra base que controlar!
Sí.
Pero;
¡Ya se ha vuelto más interesante! Imagina nuestro interruptor de nuevo en ese circuito, pero ahora conectado con otra resistencia de 10k a la base de Q2. Si pulsas el interruptor, Q2 se encenderá, ¿verdad? Sí, así es. Ahora, la base del Q1 será arrastrada a tierra, porque el Q2 conducirá felizmente suficiente corriente para que casi todos los 5V caigan a través del R2. Así que el Q1 se apagará. Así que cuando pulsas el botón el LED se apaga. Si sueltas el botón, Q2 se apagará. Lo que permitirá que la corriente de R2 fluya hacia la base de Q1 en lugar de hacia el colector de Q2. Ahora Q1 se encenderá y el LED se encenderá.
Este comportamiento lo resumimos con el nombre de "Inversor".
¿Qué es más que 2 transistores? ¡3!
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¿Puedes ver que cuando pulses el interruptor SW1, Q2 se encenderá y todo será como acabamos de decir? ¿Puedes ver también que lo mismo ocurrirá cuando pulses el SW2? SW2 enciende Q3, entonces Q3 lleva la corriente a su colector y no irá a Q1, por lo que Q1 estará apagado. Si no pulsas ningún interruptor, la corriente a través de R2 podrá entrar en Q1 y encenderlo. Si pulsas ambos interruptores, Q2 y Q3 encontrarán un camino entre ellos para compartir la corriente a través de R2 y de nuevo Q1 se apagará.
por lo que si se pulsa el SW1 O se pulsa el SW2 O se pulsan ambos, el LED se apagará, sino se encenderá.
Si se considera que la luz del LED es la salida, llamamos a esto una puerta OR con una salida inversa.
¿Puedes ver a dónde va esto? Si los transistores pueden controlarse entre sí cuando se utilizan como elemento de conmutación, podemos empezar a construir puertas lógicas.
Del mismo modo:
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Es otro tipo de puerta lógica.
Si no pulsa ninguno de los dos botones, el LED se encenderá. Si pulsas sólo el SW1 la base de Q2 querrá tomar la corriente y Q2 querrá entonces conducir, pero no puede, porque Q3 no está conduciendo, así que no pasa nada.
Si pulsas sólo el SW2, la base de Q3 podrá tomar algo de corriente, entonces permitirá que la corriente pase de su colector al emisor, pero Q2 está ahora apagado, así que de nuevo, no puede fluir la corriente y la resistencia R2 sigue encendiendo Q1, por lo que el LED permanece encendido.
Si ahora pulsas SW1 y SW2, tanto Q2 como Q3 querrán conducir, porque ya no hay obstrucción, la corriente de R2 puede fluir a través de Q2 y Q3 hacia tierra y no irá a la base de Q1, por lo que Q1 se apagará.
Esto se llama una puerta AND con salida inversa.
Ahora podemos empezar a utilizar las puertas que acabamos de "inventar" y otras más para construir otros bloques más grandes. Ya sabemos cómo pueden funcionar las compuertas, así que podemos ir un paso más allá. Imagina que los interruptores son entradas y que el LED es una salida eléctrica real y ya tienes prácticamente una compuerta que funciona. En el "mundo real" se diseñan de forma mucho más eficiente para una menor potencia, mayor velocidad y demás, pero la idea en líneas generales es la misma.
A partir de aquí algunos detalles técnicos pueden pasar por encima de su cabeza. Intentaré explicarlo lo mejor que pueda en el limitado espacio que tengo aquí, pero si no entiendes los detalles de cómo funciona todo, está bien que asumas que lo que digo/concluyo es tal cual. La idea general de cómo construir cosas complejas permanece inalterada por tu comprensión;
Hagamos algo con puertas:
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Esto parece muy aterrador, ¿no? Pero quiero empezar a envolverlo un poco, así que hice un pequeño salto, pero me explicaré.
Los etiquetados como "XOR1" y "XOR2" se denominan OR exclusivo. Funcionan un poco como un OR, pero con una diferencia: Su salida es sólo 1 si sus entradas son diferentes, es decir, 0 y 1. Si ambas son 1, la salida es 0. Si ambas entradas son 0, la salida también es 0. Este puerto también está formado por transistores.
Las AND3 y 4 son puertas AND. Pero éstas no tienen salida inversora. Cuando ambas entradas son 1, la salida es 1, en todos los demás casos la salida es 0.
OR1 es un puerto OR normal, si cualquiera de las entradas es 1 la salida también es 1. Si ambas son 1, la salida también es 1.
Vamos a ver qué pasa. Las etiquetas del esquema ya lo delatan un poco, pero vamos a recorrerlo de todas formas.
Si el Carry in es 1, y los otros son 0:
Las dos entradas de XOR1 son 0, por lo que su salida también es 0. Ambas entradas de AND3 son 0, por lo que su salida será 0. Una entrada de AND4 (la salida de XOR1) es 0, por lo que la salida de AND4 también es 0. Tanto AND3 como 4 son cero, por lo que la salida de OR1 también será cero: El Carry Out es cero.
Una de las entradas de XOR2, la salida de XOR1 es 0, la otra entrada de XOR2, el Carry In, es 1. Así que su salida es 1, por lo que la salida de la suma es 1.
Si sólo uno de A o B es 1 y Carry In es 0 :
Las entradas de XOR1 son diferentes, por lo que su salida es 1. El Carry In es 0, por lo que las entradas de XOR2 también son diferentes, por lo que su salida es 1. La Suma Out es 1.
El Carry In es 0, por lo que una entrada de AND4 es 0, por lo que su salida es 0 también. O A o B es cero (no importa cuál), por lo que AND3 tiene su salida 0 también. Ambas entradas de OR1 son 0, por lo que su salida también es 0. Por lo tanto, el Carry Out es 0.
Si tanto A como B son 1 y Carry in es 0 :
Si tanto A como B son 1, las entradas a XOR1 son las mismas, por lo que su salida es 0. El Carry In también es 0, por lo que tanto la salida de AND4 como la de XOR2 tienen que ser 0. La suma es 0.
Como ambas entradas son 1, la salida de AND3 es 1. Así que ahora una de las entradas de OR1 es 1, por lo que su salida también debe ser 1: La salida es 1.
Si tanto A como B son 1 y Carry in es 1 :
Las dos entradas de XOR1 son 1, por lo que su salida debe ser 0. La entrada de acarreo es 1, por lo que XOR2 tiene una entrada 1 y otra 0, por lo que su salida debe ser 1. La suma es 1.
Como ambas entradas son 1, de nuevo AND3 tiene su salida 1. Aunque la salida de AND4 es 0, como una de sus entradas es 0, el 1 de la salida de AND3 pasa a OR1 y la salida de OR1 es 1 también. El Carry Out es 1.
Si cada entrada es 0:
Si todas las entradas son 0, la salida de XOR1 debe ser 0, porque sus dos entradas lo son. El Carry In es 0, por lo que XOR2 también tiene dos 0's dentro, haciendo que tenga un 0 en su salida: La suma es 0.
Como todas las entradas son 0, cada puerta AND tiene al menos un 0 en las entradas, por lo que ambas tienen también 0 en sus salidas. Si ambas salidas de las puertas AND son 0, la puerta OR1 tiene dos 0 en sus entradas, por lo que tendrá un 0 en la salida. El Carry Out es 0.
¿Qué significa eso? Veamos los resultados:
- A = 0; B = 0; C-in = 0 --> S = 0; C-out = 0;
- A = 1; B = 0; C-in = 0 --> S = 1; C-out = 0;
- A = 0; B = 1; C-in = 0 --> S = 1; C-out = 0;
- A = 1; B = 1; C-in = 0 --> S = 0; C-out = 1;
- A = 0; B = 0; C-in = 1 --> S = 1; C-out = 0;
- A = 1; B = 0; C-in = 1 --> S = 0; C-out = 1;
- A = 0; B = 1; C-in = 1 --> S = 0; C-out = 1;
- A = 1; B = 1; C-in = 1 --> S = 1; C-out = 1;
Esto es lo que llamamos una escalera completa de 1 bit. Si ambos números son 1, se "desbordará" en la salida Carry. Si se imagina que la salida de acarreo es 1 bit más significativo, la salida entonces se convierte en 2. Si la entrada de carry es alta, significa que otro bloque por debajo tuvo un desbordamiento, por lo que esa señal se suma. Si ambas entradas son 1 y el carry es 1 también, todas las salidas se convierten en 1, por lo que dice "mi valor es 1, y el siguiente es 1 más alto también". Así es como se hace la suma de números binarios de cualquier longitud: Se acoplan las cargas. Así que con nuestro sumador de 1 bit, apilándolo, podemos hacer un sumador de muchos bits mucho más grande, como este:
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simular este circuito
Esto añade el número 1 de 4 bits al número 2 de 4 bits para crear una salida de suma. El primer acarreo está ligado a tierra para un 0, porque el bit más bajo no necesita entrada de acarreo. Por supuesto, este bloque también tiene una salida de acarreo.
Esto significa que puedes repetir este bloque, por ejemplo, 8 veces y obtener un sumador de 32 bits.
Ahora has hecho un bloque súper útil para una computadora conectando transistores a otros transistores y luego conectando los bloques que hacen juntos para obtener un bloque más grande y luego los unes para obtener el Sumador de 4 bits y luego usas esos bloques para crear un Sumador de 32 bits que un procesador de 32 bits podría usar para sumar números por ti.
Si luego haces el mismo truco para un bloque que pueda multiplicar y dividir y que pueda desplazar todos los bits uno hacia arriba o hacia abajo, entonces no tardarás en ver que puedes hacer todo las funciones matemáticas y lógicas que necesitaría un procesador moderno de 32 bits, o incluso uno de 64 bits.
Y entonces se cierra el círculo: Tenemos entre miles y millones y miles de millones de transistores conectados entre sí, todos en pequeños grupos que realizan tareas relativamente sencillas, todos metidos en un pequeño bloque y ¿qué hacen? Esperar a que pulses las teclas de un teclado y, cuando lo haces, hacen cálculos por ti. Por supuesto, hay un poco de programación de por medio para controlar qué números se utilizan, cómo y cuándo y con qué propósito, pero eso es sólo una capa intermedia.
Así que tienes un ordenador, lanzado en un software que controla los números que van a la izquierda y a la derecha. Entonces puedes llevarlo más allá: Puedes agrupar un montón de ordenadores y consigues un parque de servidores (redundantes). Si luego los conectas a otros grupos de servidores obtienes Internet que puede conectarse a los ordenadores de casa.
Añade 70 años de raros nerds haciendo grupos de comandos que componen el software en varias capas diferentes y pah-dam: Stackoverflow --> StackExchange --> EE.SE --> Esta Respuesta.
Todo ello fue posible al principio gracias a un solo transistor.
TL;DR Concluyendo:
Agrupando transistores que se controlan entre sí, podemos hacer funciones lógicas como OR, XOR y AND.
Con esas puertas lógicas se puede hacer un sumador.
Ese sumador puede entrar en un grupo con un multiplicador, un divisor, un desplazador y otras funciones de este tipo para formar una macrounidad que hace matemáticas y lógica.
Si se añade una forma de mover los números y algo de memoria, que puede ser de muchos tipos, algunos están hechos principalmente de transistores, otros, como un disco duro, utilizan campos magnéticos para almacenar bits en su lugar, se pueden ejecutar programas en él.
Algunos controladores más pequeños se pueden programar para hacer que sus salidas sean altas o bajas, lo que a su vez puede controlar otro transistor que realmente puede conducir algo de energía, y este transistor puede entonces encender ese LED, al igual que en nuestro primer ejemplo.
