¿Qué es la Histéresis?

Si tienes experiencia trabajando con diseños digitales, seguramente has escuchado la palabra histéresis. Lo más probable, es que hayas buscado la palabra en la internet y la explicación te haya confundido más. Esto se debe a que el término es usado no sólo en electrónica, sino también en mecánica, física, y economía, entre otros.

Para entender el concepto de histéresis, comencemos hablando sobre la lógica digital. Los circuitos digitales utilizan un sistema binario basado en voltajes altos y bajos para representar 1's y 0's. Normalmente, el valor de estos voltajes es definido por estándares. Por ejemplo, la lógica TTL define altos y bajos como +5V y 0V. Debido a esta definición, muchos asumen que las señales son exclusivamente altos o bajos (como en la figura 1).

Fig 1. Señales cuadradas representando 1's y 0's.

En realidad, las señales toman tiempo para transicionar de un nivel a otro. Dependiendo del diseño del circuito, éstas señales pueden sobrepasarse, demorar en transicionar, oscilar o ser afectadas por ruido eléctrico. La figura 2 muestra una transición de 0 a 1, donde vemos a la señal sobrepasándose por casi 40% y luego oscilando.

Fig 2. Escalón unitario mostrando sobrepaso y oscilación.

Los circuitos digitales normalmente usan una barrera para decidir si la señal es alta o baja. Si el voltaje de la señal de entrada es mayor a esta barrera (llamada threshold en inglés), la señal de salida es 1. Si es menor, la señal de salida es 0. Sin embargo, cuando una señal de entrada es afectada por oscilaciones o ruido eléctrico, esta misma puede cruzar la barrera múltiples veces y la señal de salida termina mostrando varias transiciones entre altos y bajos (figura 3).

Fig 3. Señales digitales mostrando varias transiciones por ruido eléctrico

Entonces, ¿qué es la histeresis? Histéresis es una región creada alrededor de una barrera lógica en la cual cambios de la señal de entrada no tienen ningún efecto en la señal de salida (figura 4). Básicamente, esta propiedad crea 2 barreras separadas para cambiar de alto a bajo, y viceversa.

Vale la pena mencionar que si no prestamos atención, podemos encontrar problemas sincronizando diferentes señales debido a que la señal de entrada puede tardar mucho tiempo en cruzar la histéresis.

Fig 4. Barrera digital rodeada por banda de histéresis

Una aplicación de histerésis puede ser observada en la lógica TTL. La señal de salida sólo cambia a 1 si la señal de entrada tiene voltaje de 2V a 5V. En caso de haber ruido eléctrico u oscilaciones, la señal de salida no cambiaría de alto a bajo a menos que la señal de entrada sea menor a 800mV, o que el ruido sea tan alto que llegue a cruzar estas barreras.

Fig 5. TTL signal levels