Caso práctico: Entradas flotantes y sensibilidad al ruido

Nivel: Básico. Demostrar la inestabilidad de las entradas de alta impedancia utilizando una resistencia pull-down débil.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de puerta NOT donde la entrada es llevada a tierra (pulled to ground) por una resistencia extremadamente alta (10 MΩ) en lugar de un valor estándar. Esta configuración simula un cable «flotante» o de alta impedancia (High-Z) que está técnicamente conectado pero es susceptible a interferencias.

• Comprensión de la impedancia de entrada: Demuestra por qué las entradas CMOS (como la serie 74HC) nunca deben dejarse desconectadas.
• Susceptibilidad al ruido: Muestra cómo las conexiones débiles permiten que el ruido electromagnético ambiental (EMI) active estados lógicos falsos.
• Simulación de fugas: Modela escenarios donde la suciedad, la humedad o el flux de la PCB crean caminos de alta resistencia no deseados.
• Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica y aficionados que aprenden las mejores prácticas de lógica digital.

Resultado esperado:
* Cuando se presiona el interruptor, la salida se comporta normalmente (LED APAGADO).
* Cuando se suelta el interruptor, el voltaje en la entrada regresa a 0 V muy lentamente o se vuelve inestable debido al camino de descarga débil.
* En un montaje real, el LED puede parpadear o brillar tenuemente debido al zumbido de la red eléctrica (50/60 Hz) que se acopla al nodo de alta impedancia.

Materiales

• U1: CI Inversor Hex 74HC04, función: Inversión lógica.
• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Fuente de energía principal.
• S1: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto), función: Disparador de señal de entrada.
• R_WEAK: Resistencia de 10 MΩ, función: Pull-down parásito/débil (simula condición casi flotante).
• R_LED: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la salida.
• D1: LED rojo, función: Indicador de lógica Alta.
• C_PARASITIC: Condensador de 10 pF, función: Representa la capacitancia de la pista/protoboard (opcional pero recomendado para una física de simulación precisa).

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: Inversor Hex 74HC04

Nota: Los pines 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13 no se utilizan y teóricamente deberían conectarse a GND en un producto final, pero se dejan abiertos aquí por simplicidad.

Guía de conexionado

• Fuente de alimentación:

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • U1 pin 14 se conecta a VCC.
  • U1 pin 7 se conecta a 0.

• Etapa de entrada (Alta impedancia):

  • S1 se conecta entre VCC y el nodo IN_WEAK.
  • R_WEAK se conecta entre IN_WEAK y 0.
  • C_PARASITIC se conecta entre IN_WEAK y 0 (Simula capacitancia parásita).
  • U1 pin 1 (Entrada 1 A) se conecta a IN_WEAK.

• Etapa de salida:

  • U1 pin 2 (Salida 1Y) se conecta al nodo OUT.
  • R_LED se conecta entre OUT y el nodo LED_ANODE.
  • D1 se conecta entre LED_ANODE (Ánodo) y 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Floating Inputs and Noise Sensitivity

      INPUT STAGE (High Impedance)                        PROCESSING UNIT                        OUTPUT STAGE
   (Converging signals at Input Node)                    (Logic Inversion)                      (Visual Load)

[ VCC ] --> [ S1: Pushbutton ] --(Strong High)------\
                                                     \
                                                      \
[ GND ] --> [ R_WEAK: 10M ] ---(Weak Pull-Down)-------+--> [ U1: 74HC04 ] --(Low/High)--> [ R_LED: 330 ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                                      /      (Pin 1 -> 2)
                                                     /
[ GND ] --> [ C_PARASITIC ] ---(Noise/Delay)--------/

Tabla de verdad

Nota: Con una resistencia pull-down estándar de 10 kΩ, el estado «Bajo» es un 0 V sólido. Con 10 MΩ, el pin es fácilmente influenciado por campos eléctricos externos.

Mediciones y pruebas

1. Comprobación de línea base: Conecta la fuente de alimentación. Con el interruptor S1 abierto (suelto), mide el voltaje en el nodo IN_WEAK.
   • Expectativa: Debería estabilizarse eventualmente cerca de 0 V, pero si tocas el aislamiento del cable con el dedo, el voltaje podría fluctuar.
2. Estado activo: Presiona S1.
   • Expectativa: IN_WEAK salta a 5 V inmediatamente. El LED D1 se APAGA.
3. Liberación y decaimiento: Suelta S1 y observa D1.
   • Expectativa: A diferencia de un circuito estándar, la transición podría no ser instantánea. En una simulación con capacitancia parásita, el voltaje en IN_WEAK decaerá lentamente (t = R × C). Con 10 MΩ, incluso una pequeña capacitancia crea un retraso notable o una transición «suave».

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Floating Inputs and Noise Sensitivity
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Control Signal for Pushbutton ---
* Simulates the user pressing the button.
* Logic High closes the switch, Logic Low opens it.
* Pulse: Delay 50us, Width 100us, Period 1ms (Single press simulation)
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 100u 1m)

* --- Input Stage (High Impedance) ---
* S1: Momentary pushbutton connecting VCC to IN_WEAK.
* Modeled as a voltage-controlled switch (ideal switch) driven by V_SW_CTRL.
S1 VCC IN_WEAK SW_CTRL 0 SW_IDEAL

* R_WEAK: 10 M resistor (Parasitic/Weak pull-down).
* Connects between IN_WEAK and 0.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Floating Inputs and Noise Sensitivity
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Control Signal for Pushbutton ---
* Simulates the user pressing the button.
* Logic High closes the switch, Logic Low opens it.
* Pulse: Delay 50us, Width 100us, Period 1ms (Single press simulation)
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 100u 1m)

* --- Input Stage (High Impedance) ---
* S1: Momentary pushbutton connecting VCC to IN_WEAK.
* Modeled as a voltage-controlled switch (ideal switch) driven by V_SW_CTRL.
S1 VCC IN_WEAK SW_CTRL 0 SW_IDEAL

* R_WEAK: 10 M resistor (Parasitic/Weak pull-down).
* Connects between IN_WEAK and 0.
R_WEAK IN_WEAK 0 10Meg

* C_PARASITIC: 10 pF capacitor (Trace/Breadboard capacitance).
* Connects between IN_WEAK and 0.
C_PARASITIC IN_WEAK 0 10p

* --- Logic Stage (U1: 74HC04 Hex Inverter) ---
* U1 Pin 1 (Input 1A) connects to IN_WEAK
* U1 Pin 2 (Output 1Y) connects to OUT
* U1 Pin 7 connects to 0 (GND)
* U1 Pin 14 connects to VCC
* Implemented as a behavioral subcircuit to ensure robust convergence.
XU1 IN_WEAK OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* --- Output Stage ---
* R_LED connects between OUT and LED_ANODE
R_LED OUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED connects between LED_ANODE (Anode) and 0 (Cathode)
D1 LED_ANODE 0 D_RED

* --- Component Models ---

* Switch Model:
* Roff=1G ensures the switch is effectively open circuit compared to R_WEAK (10M).
* Ron=1 ensures good connection to VCC when closed.
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=1G)

* LED Model (Generic Red LED):
.model D_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* 74HC04 Inverter Subcircuit:
* Uses a continuous sigmoid function for logic inversion.
* Vout = VCC / (1 + exp(k * (Vin - Vthreshold)))
.subckt 74HC04_GATE A Y GND VCC
B1 Y GND V={V(VCC) / (1 + exp(40 * (V(A) - V(VCC)/2)))}
.ends

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us stop time to capture discharge curve
.tran 1u 500u

* --- Output Print Directives ---
* Required for batch execution data logging
* Order: Inputs, Outputs, then others
.print tran V(IN_WEAK) V(OUT) V(SW_CTRL) V(LED_ANODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation correctly demonstrates the inverter logic. Initially (0-50us), the switch is open, IN_WEAK is near 0V (pulled down by 10M), and OUT is High (5V). When the switch closes (approx 50us-150us), IN_WEAK rises to 5V, and OUT drops to ~0V. After the switch opens (150us+), IN_WEAK slowly discharges through the 10M resistor and 10pF capacitor (RC time constant ~100us), causing OUT to eventually switch back High around 280us.

Show raw data table (554 rows)

Index   time            v(in_weak)      v(out)          v(sw_ctrl)      v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536792e+00
1	1.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
2	2.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
3	4.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
4	8.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
5	1.600000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
6	3.200000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
7	6.400000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
8	1.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
9	2.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
10	3.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
11	4.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
12	5.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
13	6.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
14	7.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
15	8.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
16	9.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
17	1.028000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
18	1.128000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
19	1.228000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
20	1.328000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
21	1.428000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
22	1.528000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
23	1.628000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	1.536791e+00
... (530 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Usar una resistencia estándar: No uses 10 kΩ o 100 kΩ. Debes usar 10 MΩ (Megaohmios) para simular con éxito la fragilidad de la condición «casi flotante».
2. Ignorar la capacitancia de la protoboard: En una protoboard real, las filas tienen capacitancia parásita. Esto combinado con 10 MΩ crea un filtro paso bajo, haciendo que el botón se sienta «lento».
3. Tocar los pines metálicos: Si tocas el pin de entrada del 74HC04 con el dedo mientras usas una resistencia pull-down de 10 MΩ, tu cuerpo actúa como una antena, inyectando ruido de 50/60 Hz, causando que el LED parpadee visiblemente.

Solución de problemas

• El LED está permanentemente APAGADO: La resistencia de 10 MΩ podría estar en circuito abierto, o la entrada está captando carga estática manteniéndola en Lógica ALTA. Asegúrate de que la resistencia esté realmente conectada a Tierra.
• El LED parpadea constantemente: ¡Esta es realmente una demostración exitosa! La entrada de alta impedancia está captando ruido ambiental.
• Error de simulación «Node is floating»: Asegúrate de que R_WEAK esté estrictamente conectada al nodo 0. Aunque es de alta resistencia, proporciona el camino de CC a tierra requerido por los solucionadores SPICE.

Posibles mejoras y extensiones

1. Comparar Pull-downs: Añade un segundo interruptor con una resistencia pull-down estándar de 10 kΩ para comparar la integridad de la señal y la velocidad de descarga contra la versión de 10 MΩ.
2. Sensor táctil: Reemplaza S1 con un cable de cobre desnudo. Tócalo para inyectar ruido y encender/apagar el LED, creando efectivamente un sensor táctil rudimentario utilizando la alta impedancia de entrada.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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