Dárf.1. Digitális áramkörök fizikai felépítése

Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Digitális áramkörök fizikai felépítése Dárf.1.2.4.N.

2004-02-20

Dárf.1. Digitális áramkörök fizikai felépítése A ma használatos digitális áramköröket alapvetően kétállapotú, kapcsoló tulajdonságú elemekből építjük fel. A működtetéshez használatos energiaforrás tulajdonképpen sokféle lehetne. Mechanikai erő, és a kimenet ekkor valamely helyzet, vagy anyagáram, pl. sűrített levegő, illetve folyadék, a kimenet pedig anyagáramlás irányítottsága, vagy mennyisége. Ez utóbbiak a pneumatikus, illetve hidraulikus elemek. Ma leggyakrabban az elektromos energia felhasználásával működő kapcsoló tulajdonságú elemeket használják, de bizonyos speciális alkalmazásokban, használatban vannak a felsorolt energiákra épített rendszerek is. Logikai működésük a megfelelő jellemzők transzformálásával tárgyalhatók. Ezekkel a későbbiekben nem foglalkozunk. A logikai áramkörök működésének tárgyalásához meg kell ismerkednünk a kapcsolók tulajdonságaival. Egy ideális, kétállapotú kapcsoló lehetséges állapotai: - Zárt állapot; ekkor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, rajta áram folyhat keresztül. – Nyitott állapot; ekkor a kapcsoló kikapcsolt, szakadt állapotban van, rajta áram nem folyhat. Az ideális kapcsoló, zárt állapotában 0 Ω átmeneti ellenállást, míg nyitott állapotában ∞ Ω ellenállást képvisel. Átkapcsolási ideje 0, az átkapcsoláshoz nem igényel teljesítményt, és a vezérlés és a kimenet között nem folyhat áram. A bemenetek és a kimenetek egymástól teljesen el vannak szigetelve. Az elmondottakból következően az ideális kapcsoló zárt állapotában, a csatlakozó pontjai között nem mérhető feszültség, míg a kikapcsolt kapcsolón nem folyik áram. A valós kapcsolót vizsgálataink során az 1. ábrán bemutatott helyettesítő képpel tudjuk leírni. Amint látható, a bekapcsolt kapcsolóval, mindig sorba kapcsolódik egy rs soros ellenállás, mely az alkalmazás során átfolyó áram hatására egy Um maradékfeszültséget eredményez. A katalógusok az alkalmazásoknak megfelelően, a legtöbb esetben ennek a megengedhető értékét adják meg. A kikapcsolt kapcsolóval párhuzamosan kapcsolódik egy Rp párhuzamos ellenállás. A gyakorlatban ennek hatását a kikapcsolt kapcsolón folyó Iz szivárgási árammal vesszük figyelembe.

Rp

Cp

rs

Ls Dárf.1. ábra. Egy valós kapcsoló helyettesítő képe A valós kapcsolónál mindig fellép egy soros Ls induktivitás és egy párhuzamos Cp kapacitás is. Hatásukat a dinamikus működés vizsgálatánál vesszük figyelembe. A valós kapcsolók jellemzői: - Bekapcsolt állapotában a kapcsoló átmeneti ellenállása nem 0, és fellép egy Um maradékfeszültség. – Kikapcsolt állapotban folyik egy Iz szivárgási áram.

Dárf.1.2.

1/48


2004-02-20

– Az átkapcsolási idő nem 0 – A vezérlés kíván egy bizonyos, nem 0 teljesítményt. – A bemenet, kimenet(ek) elszigeteltsége nem mindig tökéletes. A megvalósítástól függően az egyes paraméterek változnak. A különböző megvalósításoknál erre a nagyságrendek bemutatásával kitérünk. A logikai áramkörök fizikai felépítésének bemutatását csak az elektromosság felhasználásával működő eszközökre végezzük el. Megjegyezzük azonban, hogy teljesen kiépített, működő logikai elemcsaládok léteznek, és vannak mindennapos használatban pneumatikus és hidraulikus megoldással is. Ezek használatára elsődlegesen robbanásveszélyes üzemeknél van szükség. Az elektromos, valamint a más fizikai elveken megoldott, gyakorlatban használt rendszerek közötti átmenetet biztosító eszközök is kereskedelmi termékek. Dárf.1.1. Elektromosság felhasználásával működő logikai elemek Kapcsolókkal a kialakítástól függően áram, illetve feszültség alapú logikákat lehet kialakítani. Áram logikáról beszélünk, ha az adatvivő fizikai mennyiség áramlási útvonalának kapcsolásával alakul ki a logikai kapcsolat. A jelvivő van áram, nincs áram, rendszerben változik. Feszültség logika esetén a jelvivő a feszültségszint nagysága: alacsony szint, illetve magas szint formájában. A kapcsolás a bejövő szintek aktuális értékének és a kialakítandó logikai kapcsolatnak megfelelően biztosítja a kimenetek feszültség értékének a beállítását. A bemeneti vezérlés is történhet árammal, illetve feszültséggel. Ennek megfelelően különféle sokszor vegyes megoldások léteznek. Az áram és a feszültséglogika között megfelelő alkatelem felhasználásával váltani lehet. Az elmondottak értelemszerűen igazak az anyagárammal vezérelt logikák esetén is. A fizikai megvalósítások esetén egyes megoldások kitüntetett előnyökkel járnak, így ott azokat a felépítéseket használjuk. Erre az egyes típusok bemutatásakor kitérünk. A logikai szintek kialakításakor mindig sávokról beszélhetünk, hiszen csak két érték tartományt, illetve átmenetként a köztes, ebből a szempontból nem értelmezettnek tekintett tartományt használjuk. Ez a megközelítés, a megvalósítás során, az analóg áramköri megvalósításhoz képest könnyebbségeket jelent, és nagymértékben segítette a digitális elven működő berendezések elterjedését. Dárf.1.1.1. Elektromechanikus (jelfogó, relé) rendszerek. A legrégebben használt, elsősorban ipari vezérlésekben ma is forgalomban lévő eszközök. Jelfogóval, illetve más elektromechanikus kapcsoló eszközökkel valósították meg a 20. század elejének automatikus telefonközpontjait, melyeknek egyéb gyorsabban működő kapcsoló elemekkel való felváltása az 1900-as évek utolsó harmadában indult meg. A logikai eszközök tervezésének számtalan ma is használatos megoldását a jelfogós kapcsolás technikához fejlesztették ki. Bizonyos alkalmazásokban, a jövőben is jelentőséggel bírnak. Dárf.1.1.1.1. A jelfogók általános felépítése: (Dárf.2., Dárf.3. ábra) A jelfogó árammal vezérelt, alapvetően áram logika megvalósítására használható eszköz. Alapvetően áll egy tekercsből, mely a rajta átfolyó áram hatására a belsejében elhelyezett lágy mágneses anyagból készült magban mágneses teret hoz létre, és ennek a mágneses térnek a munkavégző képességével mechanikus érintkezőket mozdít el. A kapcsolást a mechanikus érintkezők hozzák létre. Alapvetően két szerkezeti felépítést kell megemlíteni:

Dárf.1.2. 2/48

Grosz Imre: Élő Digitronika (Fejezetek a digitális elektronikából) Digitális áramkörök fizikai felépítése Dárf.1.2.4.N. -

–

2004-02-20

A mágneses tér egy karon elmozduló mágneses lemezkét, úgynevezett horgonyt vonz magához, melynek az alaphelyzetbe visszatérését rugó, vagy súlyerő biztosítja, és a tengely körül elforduló horgony megfelelően kiképzett szigetelőanyagú része zárja, illetve nyitja az érintkezőket. Az érintkezők rugalmas anyagból, rendszerint foszforbronz, készülnek és az érintkező felületük, egy-egy Wolfram pogácsa, illetve az ellen darabnál egy Wolframból kialakított él. 2. ábra. Az elmozdulást a lágy mágneses anyagból kialakított, vagy vele felszerelt érintkező kar végzi, és ebben az esetben elmarad a horgony. Az érintkező mozgása, mivel kisebb a mozgó tömeg, gyorsabb lesz. Az ily módon kialakított érintkezőt közvetlenül a tekercsbe helyezik. Ezt a megoldást Reed-relének nevezik. A Reed-relé érintkezőjét üvegből készült gázzáróan leforrasztott hengerben védőgázba helyezik. Így nem tud a levegőből származó idegen anyagoktól elpiszkolódni, élettartama és megbízhatósága jelentősen megnő.

W pogácsa

Érintkezõ

Rugó Horgony Forgáspont

Tekercs

Vasmag Dárf.2. ábra. Hagyományos felépítésű relé szerkezete.

Dárf.1.2.

3/48


2004-02-20

Mágnesezhetõ rugalmas kar Üvegcsõ Elmozduló érintkezõ

Tekercs

Álló érintkezõ

Dárf.3. ábra. Reed-relé szerkezete. A relék működési ideje erősen függ a szerkezeti kialakítástól. Egy horgonyos relé néhány ms, a régebbi típusok 10 ms alatt, míg a Reed-relék ms körüli idő alatt működnek. Léteznek különleges kialakítású, 500-800 µs kapcsolási idejű típusok is. Egy relé érintkező átmeneti ellenállása zárt állapotában néhány tized Ohm. Reed-relénél a zárt térbe, az érintkezőre vitt Higany csepp segítségével még javítható. Ma is ez a legjobb elérhető érték. A zárt érintkezőn, a kapcsolási felületek beégése nélkül a kialakítás, vagyis a típus függvényében néhány 10, 100 mA áram folyhat át. Az ennél nagyobb áram kapcsolására kialakított típusokat, amit az erősáramú technikában alkalmaznak, már mágnes kapcsolónak nevezik. A nyitott érintkezők között az átmeneti ellenállás jobb, mint 1 MOhm. Ez az érték Reed-reléknél a befoglaló üveg gondos tisztításával, illetve nagyobb méretű (hosszabb) csövek használatával jelentősen növelhető. A nyitott kapcsolók között a megengedhető feszültség az általánosan használt típusoknál 150-200 V környékén van. Az elmondott jó értékek nem elsősorban a logikai kapcsolások kialakításánál, hanem méréstechnikai kapcsolások, sok esetben analóg multiplexerek kialakításánál ma is nélkülözhetetlenné teszik a Reed-reléket. A relék mindig igényelnek teljesítményt a vezérlésükhöz. Fizikai méreteik illeszkednek az ICk tokméretéhez. A ma használt egyszerű Reed-relék mérete megegyezik egy szokványos Dual-in-line tok befoglaló méretével, csak a magasságuk több, néhány mm.

Dárf.1.2. 4/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.2. Áramutas logika kapcsolástechnikája: A mechanikus érintkezők három féle kialakításúak lehetnek: - Záró Dárf.4.a. ábra - Nyitó 4.b. ábra - Átkapcsoló (Morse) 4.c. ábra

Záró érintkezõ

Nyitó érintkezõ

Átkapcsoló Dárf.4. ábra. Relé érintkezők típusai A záró érintkező képviseli a jel ponált értékét (folyik az áram), míg a nyitó a jel negált értékét (nem folyik áram). Az átkapcsoló egy adatirányító, mely a bekötésétől függően multiplexer, illetve demultiplexer feladatot lát el. A vezérlőjel itt, a relé tekercsébe bevezetett (áram) érték. Fontos megjegyezni, hogy az érintkezők mindkét irányban egyformán vezetnek. Ezt különösen analóg áramkörökbe beiktatott érintkezőknél kíván figyelmet. További fontos dolog, hogy egy relénél annyi érintkezőre van szükség, ahány logikai függvényben felhasználjuk, a relé által képviselt logikai változót. Ennek megfelelően a relés kapcsolások többkimenetű hálózatok. Ipari felhasználás szempontjából a relék hosszú távú használata mellett szól, hogy készíthető és van is forgalomban váltóárammal működtethető relé. Ezek a típusok a szokásos 230 (fokozatosan 240) V-s hálózati feszültségről is működtethetőek, így egyszerű alkalmazások esetén nincs szükség tápegységre. A bemutatott kapcsolásokon, szaggatott vonallal összekötve, mindenütt szerepeltetjük terhelésként egy következő fokozatú relé tekercsét. Ez természetesen már nem része a kapunak.

Dárf.1.2.

5/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.3. ÉS (AND) kapu kialakítása: Sorba kötött záró érintkezőkkel biztosítjuk, hogy a kimeneten akkor folyjon az áram, ha mindegyik bemenet igaz, vagyis a relék tekercsén áram folyik. Dárf.5. ábra.

A*B*C

Táp A

B

C

Dárf.5. ábra. Relés ÉS kapu Dárf.1.1.1.4. VAGY (OR) kapu kialakítása: Párhuzamosan kötött záró érintkezőkből bármelyik zárt, a kimeneten áram folyik. Dárf.6. ábra A+B+C Táp

A

B

C

Dárf.6. ábra. Relés VAGY kapu Dárf.1.1.1.5. Negálás (Inverter) kialakítása: Most nyitó érintkezőt használunk. Ha a relét nem gerjesztjük, vagyis a bemeneten nem folyik áram, a kimeneten, az ekkor zárt bontó érintkezőn áram folyik. Ha a relét árammal gerjesztjük, a nyitó érintkező megszakít, és a kimeneten nem folyik áram. Dárf.7. ábra. A Táp A

Dárf.7. ábra. Relés negáció

Dárf.1.2. 6/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.6. ÉS-NEM (NAND) kapu kialakítása: Most a feladat, a kimeneten akkor ne folyjon áram, ha mindegyik bemeneten folyik. Ezt megvalósíthatjuk egymás után kötött ÉS kapu és Inverter felhasználásával, de egyszerűbb megoldáshoz jutunk a párhuzamosan kötött bontó kapuk alkalmazásával. A kimeneten mindaddig áram folyik, amíg valamely bemenetét nem gerjesztjük. A kimenet szakadt, vagyis áram nem folyik, ha mindegyik bemenetet gerjesztjük. Dárf.8. ábra. A*B*C Táp A

B

C

Dárf.8.a. ábra ÉS kapu és inverter alkalmazása

A*B*C Táp A

C

B

Dárf.8.b. ábra. bontó érintkezők használatával a kapcsolás egyszerűbben kialakítható Dárf.8. ábra. Relés ÉS-NEM kapu két fajta megvalósítása Dárf.1.1.1.7. VAGY-NEM (NOR) kapu kialakítása: Sorba kötött nyitó érintkezőkkel érjük el, hogy a kimeneten nem folyik áram, ha bármelyik bemenetet gerjesztjük. Dárf.9. ábra. Táp A

A+B+C B

C

Dárf.9. ábra. Relés VAGY-NEM kapu

Dárf.1.2.

7/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.8. Azonosság (EKVIVALENCIA, EXNOR) kapu kialakítása: Ez a függvény két bemenetre értelmezett. Két szembekötött váltó érintkezővel biztosítjuk, hogy a kimeneten akkor folyjon áram, amikor a két relé gerjesztése megegyezik. Dárf.10. ábra.

A

Táp

A

B

B

Dárf.10. ábra. Relés AZONOSSÁG kapu Dárf.1.1.1.9. KIZÁRÓ-VAGY (EXOR) kapu kialakítása: Szintén két bemenetre értelmezett logikai kapcsolat. A két keresztező vezetékkel szembekötött váltó érintkezők biztosítják, hogy a kimeneten csak akkor folyjon áram, ha a bemenetek gerjesztése ellentétes. Közönséges kétállapotú kapcsolókkal megvalósítva ez az úgynevezett lépcsőház világítás, ezért most terhelésként, relé helyett egy világító test szimbólumát rajzoltuk le. Dárf.11. ábra. A

Táp

A

B

B

Dárf.11. ábra Relés. KIZÁRÓ-VAGY kapu, izzólámpa terheléssel

Dárf.1.2. 8/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.10. Tároló elem kialakítása: A záró, bontó érintkezők vegyes használata itt különösen egyszerű kapcsolást tesz lehetővé. Ha az “A” bemeneten gerjesztjük a relét, és az meghúz, a záró érintkezőjén keresztül biztosítja saját tartását. A bontás az öntartást biztosító nyitó érintkezőn keresztül valósítható meg. Lényegileg ez egy hurokerősítőnek is nevezett kapcsolás. Gyakorlati okokból készítenek olyan reléket is, melyek két tekercsel, rendelkeznek. Az egyik a behúzást, a másik a tartást biztosítja. A tartó áram – mivel ekkor jóval kisebb erőt kell kifejteni – kisebb lehet, mint a behúzó áram, és ezt a relé segédtekercsének a méretezésénél figyelembe veszik. Az egy tekercses megoldást a Dárf.12.a., a kéttekercses megoldást a Dárf.12.b. ábrán mutatjuk be. Q Táp Kikapcsolás vezérlése

Be

Dárf.12.a. ábra. Tároló elem egy tekercses reléből kialakítva Q Táp

Q Táp Kikapcsolás vezérlése

Be

Dárf.12.b. ábra. Kéttekercses (tartótekercses) relével megvalósított tároló kapcsolás Dárf.1.1.1.11. Összetett elem, ÉS-VAGY-NEM kapu megvalósítása: Működése az előzőekből következik, így csak a kapcsolását mutatjuk be. Dárf.13. ábra. A*B+C*D

Táp

A*B+C*D Táp A

B

C

D

Dárf.13. ábra. Relével megvalósított ÉS-VAGY, és ÉS-VAGY-NEM kapu

Dárf.1.2.

9/48


2004-02-20

Dárf.1.1.1.12. Adatirányító multiplexer, illetve demultiplexer megvalósítása: A két irányban egyformán viselkedő érintkező miatt, csak a felhasználás szerint tudjuk megkülönböztetni őket.

Be0 Be2 Ki

Be1 Be3 B

A

Dárf.14. ábra. Adatirányító (egy lehetséges) felépítése Dárf.1.2. Kétpólusú elemek felhasználása logikai függvények megvalósítására: Az eddig bemutatott kapcsolásokban a kapcsoló három pólusként volt használva. Volt bemenete, kimenete és vezérlő bemenete. Olyan elemeknél, ahol a bemenet és a vezérlés közös pontot képez, két pólusról beszélünk. A kétpólusú elemek legismertebbje az egyszerű dióda. Áramutas logika esetén - egyenáramú táplálás mellett - diódával VAGY kaput lehet kialakítani. Az így létrehozható alapkapcsolást, aminek ponált negált kimenetét is feltüntettük, a Dárf.15. ábrán mutatjuk be.

A+B+C Táp A+B+C A B C Dárf.15. ábra. Diódával és relével kialakított VAGY, illetve VAGY-NEM kapu Az eddigiek során az áramutas logikát megvalósító relés kapcsolásokkal foglalkoztunk. Most nézzük az elektronikus, alapvetően félvezetővel megvalósított feszültség logikát. Megjegyezném, hogy az elektronikus kapcsolásokat először elektroncsöves technikára dolgozták ki, ennek azonban ma már csak történelmi jelentősége van.

Dárf.1.2. 10/48


2004-02-20

Dárf.1.1.2.1. A feszültség logika jellemzői: -

-

Két szinttartományt különböztetünk meg, egy alacsony (Low) a fölpotenciálhoz közeli, és egy magas (High) a tápfeszültséghez közeli sávot. Valós értékük áramköri méretezés eredménye. A sávok használatos értekeit lásd “Digitális áramkörök fizikai jellemzői" című fejezetben. A tápfeszültség elvileg lehet + és – is. A két tartomány logikai állapothoz rendelése, választás kérdése, így ha a logikai 1 a magasabb szintű tartomány, mint a 0 szinthez rendelt, pozitív, míg ellenkező esetben negatív szintű logikáról beszélünk. Ma elsősorban pozitív tápfeszültségű pozitív logikát használunk. Tárgyalásunkban is elsődlegesen erre hivatkozunk. Ekkor az alacsony szint-tartományt 0-tól, a referencia földponttól számítjuk. A jelszintek megőrzéséhez szükséges aktív, szinthelyreállító elemek beépítése. A használatos, aktív elemeket tartalmazó kapcsolások ezt biztosítják.

Dárf.1.1.2.2. Diódás logikák Dárf.1.1.2.2.1. Diódás VAGY kapu: Az áramutas logikánál már láttuk a megvalósítását. A diódák bekötése olyan, hogy a bemeneten lévő magas, UH (High) szint hatására áram folyik át rajtuk, a relé meghúz. Ez tulajdonképpen “nyitóirányú üzemmód”. Feszültséglogikában való használatakor a különbség, hogy szükségünk van egy Rf munkaellenállásra, mely az anódon fellépő, magas UbeH feszültségszint hatására átfolyó áramból, egy UkiH kimeneti feszültségszintet, alakit ki. A diódán fellépő Um maradékfeszültség értékével a kimeneti feszültség szint mindig kisebb, a bemenet(ek)re kapcsoltnál. A sávon belül megengedhető, és aktuálisan fellépő legnagyobbnál. UkiH = UbeH - Um Ha minden bemeneten alacsony feszültség szint van, ekkor nem tud áram folyni, a diódák lezárnak. Ekkor a kimenet feszültségét az Rf ellenálláson átfolyó áram állítja be, az UkiL = alacsony feszültség szintre. Ez a bemutatott kapcsolás Dárf.16. ábra esetén 0 V Um

A

B Uki

UbeC Rf

Dárf.16. ábra. Diódás VAGY kapu, pozitív tápfeszültségű pozitív logika esetén

Dárf.1.2.

11/48


2004-02-20

Dárf.1.1.2.2.2. Diódás ÉS kapu: A diódákon most akkor folyik áram, ha a hozzátartozó bemeneten alacsony L feszültség szint van. Bármelyik bemeneten lévő alacsony szint esetén a hozzátartozó dióda kinyit és az Rm munkaellenálláson áram folyik. A kimeneti szint a bemenet feszültsége plusz a dióda maradék feszültsége. UkiL = UbeL + Um Ha mindegyik bemenet magas szinten van, akkor az összes dióda lezár, és a kimeneten magas szint jelenik meg. A diódákon ekkor a dióda típusának megfelelő záró irányú áram folyik. Dárf.17. ábra + Um

Rm

UbeA

B

C

Uki

Dárf.17. ábra. Diódás ÉS kapu Diódás kapuknál a diódákon létrejövő feszültségesés szinttorzulást okoz. Pl. ha UT = 5V, akkor a szokásosan használt szilíciumdiódák esetén Um = 0 - 0,7 V, így a magas szint a bemeneti magas szint és a tápfeszültség közötti érték. A torzulás alacsony szintnél, ahol a 0 V helyett 0,7 V áll elő, káros. Kiküszöbölhető, ha a következő fokozat ellenirányú diódát tartalmaz. Vagyis a diódás ÉS-VAGY kapu, a szintek szempontjából hasznos elem. Dárf.18. ábra. +

A

B

C

D

Dárf.18. ábra. Diódás ÉS-VAGY kapu A diódás logikával nem lehet jelregenerálást végezni, és invertert létrehozni. Erre a feladatra csak a hárompólusú elemek képesek. Fontos szempont viszont, hogy a diódákkal kialakított kapuk összeférnek mindegyik ma használatos logikai elemmel, és egyszerű módosításoknál hasznos kiegészítéseket adhatnak. Ezért alkalmazásukkal számtalan helyen lehet találkozni.

Dárf.1.2. 12/48


2004-02-20

Dárf.1.1.3. Hárompólusú félvezető kapcsolókkal megvalósított logikai elemek. A hárompólusú félvezető elemek főbb alaptípusai: - Bipoláris tranzisztorok áramvezérlésű kapcsolóelemekként – Bipoláris tranzisztor és Zener dióda kombinációja – Záróréteges térvezérlésű tranzisztorok – Szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok – Tirisztorok – Triakok. – Egyéb félvezető alapú kapcsolók – Optoelektronikai eszközök – Tisztán fényt alkalmazó eszközök A továbblépés előtt röviden vázolnunk kell egy a későbbiekben sűrűn használt fogalmat. Integrált áramkörnek nevezzük azt a technológiai megoldást, ahol az áramkör elemeit egy egységes hordozón, roncsolás nélkül bonthatatlanul építenek össze. Fontos alaptípusuk a félvezető alapú integrált áramkör. Itt aktív és passzív alkatelemek ugyanabból a félvezető alapanyagból, a tulajdonságukat módosító idegen atomok szerkezetbe építésével alakítanak ki. A digitális technikában, ha IC-ről (Integrated Circuit), vagyis integrált áramkörről beszélünk, alapvetően mindig a félvezető alapú megoldásra kell gondolnunk. Ha a megoldás ettől eltér, azt külön említjük. Az integrált áramkörökben a szoros egymásba építhetőség miatt olyan kapcsolások is léteznek, amit az egyedi felépítésű, úgynevezett diszkrét alapelemekből nem lehet létrehozni. Mielőtt továbbmegyünk szükséges néhány gyakran használt megnevezés tisztázása: - Az integrált áramköröket szokásos csoportosítani a bennük felhasznált tranzisztor funkciók száma szerint. Ez a csoportosítás a kezdetekben alakult ki, és nem számolt az elképesztő nagyságrendi fejlődéssel. Ebből adódóan az egyes “méret” kategóriák eléggé esetlegesek és az egyes méretek nagyságrendekkel is eltérnek. Ezenkívül, a korszerű áramkörökben számtalan a tulajdonságokat javító, de a kapcsolásban a felhasználó számára nem igazán látható megoldás is beleépült. Ez ma, amikor a tranzisztornak “nincs ára”, vagyis a kész áramkör árában nem játszik szerepet, ha valamely előnyös tulajdonság miatt pár százzal többet integrálnak a morzsa, vagyis a chip felületére, tulajdonképpen az alsó méret kategóriák értelmezését is megváltoztatná. Ez természetesen nem történt meg. Tehát azonos kategóriába soroljuk a legelső TTL áramkörökben, és a korszerű alacsony tápfeszültségű áramkörben, pl. egy ALVC sorozatban megvalósított azonos áramköri, illetve hát logikai feladatot ellátó elemet. A felosztások: SSI Smol Scale Integrated Alacsony integráltságú elemek 3-30 tranzisztor funkció között. Ma azt mondanánk Alap funkciójú logikák. Ide tartoznak a kapuk, az elemi Flip-flopok. MSI Media Scale Integrated Közepes integráltságú elemek 30-300 tranzisztor funkció között. Ma azt mondanánk funkcionális áramkörök. Ide tartoznak a multiplexerek, demultiplexerek, regiszterek, számlálók, az ALU. LSI Large Scale Integrated Nagy mértékben integrált áramkörök 3000 tranzisztor funkció felett. Tulajdonképpen a teljes funkcionális egységeket megvalósító áramköröket sorolják ide.

Dárf.1.2.

13/48


2004-02-20

Ez a kategória régen kinőtte magát. Ide tartoznak a Soros átviteli vezérlők (ezek voltak az elsők) a kezdeti mikroprocesszorok, alapvetően a 8 bitesek, mikrokontrollerek, kisebb félvezető memóriák, a programozható logikák egy része, stb. tulajdonképpen minden funkcionálisan teljes feladatot megvalósító áramkör. VLSI Very Long Scale Integrated Igen nagymértékben integrált áramkörök. Ez a 32 bites mikroprocesszorok, a Megabit nagyságú félvezető memóriák családja. VHLSI a továbbfokozás. Tulajdonképpen az egy félvezető lapkán, illetve az egy tokban megvalósított teljes berendezést létrehozó áramkörök megnevezése. Dárf.1.1.3.1. A félvezető kapcsoló elemek felhasználása logikai elemekben: -

-

-

-

A bipoláris tranzisztorokkal hozták létre az első félvezető logikai elemcsaládokat. Ebből a típusból készült 1958-ban az első integrált áramkör. Még Germánium alapanyagból, de előnyős tulajdonságai miatt nagyon gyorsan áttértek a szilícium alapanyagú integrált áramkörök gyártására. Fontos szerepet játszottak a közepes integráltsági fokig, az integrált áramkörök elterjedésében. A bipoláris tranzisztor áramvezérelt eszköz. A működő kapcsolások kialakításához kiegészítő elemként ellenállásra van szükség. E miatt és az áramvezérlés igénye miatt a kapcsolások teljesítmény felvétele viszonylag nagy. A tisztán bipoláris áramkörökből létrehozott családok használata ma már háttérbe szorul. Más elvű félvezetőkkel kombinálva azonban továbbra is jelentős szereppel bírnak. Záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat nem használnak logikai áramkörökben. Szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok (IGFET = Field Effect Tranzistor) napjainkban az integrált áramkörök egyik legfontosabb alapelemei. [Magyar elnevezésüket és az angol betűszót felváltva fogjuk használni] Feszültségvezérelt eszközök, e miatt és jó néhány kapcsolástechnikai fogás miatt teljesítményfelvételük kicsi. Jó néhány alaptípusuk létezik. A további tárgyalásunk szempontjából azonban csak két tulajdonságra összpontosítunk, és a jelölés módjukat is a felhasználás szempontjai szerint választjuk. A részletesebb megoldások iránt érdeklődőknek a magyar nyelven is bőségesen elérhető, a félvezetők részletes felépítését tárgyaló irodalmakat ajánljuk. A ma használatos elemek közül a legfontosabb típusok. N-csatornás szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztornak, röviden, de nem pontosan n-FET-nek (a CMOS technológiában a növekményes típusokat használják) említjük a pozitív feszültségre nyitó, alacsony (0) szintre záró típust. Rajzjeleként a 19.a. ábrán szereplő szimbólumot fogjuk használni. p-csatornás szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztornak p-FET-nek említjük a pozitív feszültségre záró, alacsony (0) szintre nyitó típust. Rajzjeleként a Dárf.19.b. ábrán szereplő szimbólumot fogjuk használni.

a

b

Dárf.19 ábra. Digitális áramkörökben használt n-FET és p-FET elemek elvont rajzi jelölései Ezeket az egyszerűsítéseket, a tárgyalásokat és az alapvető megértést könnyítendő, annak tudatában tesszük, hogy ma már a legtöbb katalógus is így hivatkozik rájuk. Részletesebb

Dárf.1.2. 14/48


2004-02-20

jelölésük, és működésük a félvezető tervező mérnök dolga. Egy átlagos, a digitális technikával hivatásszerűen foglalkozó mérnöknek ezeknél, részletesebb ismeretre többnyire nincs is szüksége. -

-

A tirisztorok és a triakok nagy áramok kapcsolására szolgáló eszközök. Elvileg velük is lehetne logikai kapcsolásokat felépíteni, ilyen alkalmazásuk azonban csak teljesítmény meghajtási körökben, egyszerű kapu feladatokra korlátozódik. Egyéb félvezető alapú kapcsolások. Az integrált áramköri technikát kihasználva létre hoztak olyan kapcsoló elemeket is, melyek eltérnek a ma főleg használatos tranzisztor technikáktól. Elsősorban az úgynevezett ion injektált logikát kell említeni, mely egy speciális, csak integrált kivitelben létrehozható kapcsolás technika. Nagy sebességű és kis fogyasztású nagy integráltsági fokú áramkörök készíthetők belőlük. Hátrányuk a bonyolult gyártástechnológia és az, hogy a tranzisztoros logikával csak külön illesztőáramkörök felhasználásával kapcsolhatók össze. Ezeket természetesen beépítik, az e technológiával készülő áramkörökbe. Egyes gyártók által jelenleg is fejlesztett és forgalmazott technológia, nagyintegráltságú áramkörök kialakítására. Használatakor semmi különleges tennivalónk nincs. Egy időben nagy reményeket fűztek a használatához. Gyártása bonyolult, ezért alkalmazása a folyamatosan nagyléptékben fejlődő CMOS technológia mellett háttérbe szorult. Optikai elven működő logikai elemek. A félvezető technológia eredményeire támaszkodva számtalan Opto-elektronikai és tisztán optikai kapcsolókon alapuló megoldást dolgoztak ki. Opto-elektronikai kapcsolók alkalmazásával helyenként foglalkozni fogunk, míg a tisztán optikai elemek felépítése és használata más tárgy témakörében kerül tárgyalásra. Természetesen a logikai kapcsolatok felépítésére vonatkozó ismeretek ott is érvényesek.

Az áramköri megvalósításokat, a kapcsolástechnika függvényében, két nagy családra bontjuk: - Nagy szinttel dolgozó, úgynevezett telítéses logikákra - Differenciál módú logikákra. Ebben a fejezetben csak a telítéses logikák kapcsolásaival foglalkozunk. Ezek használata az elsősorban elterjedt. Ma már sebességben, különösen a félvezető lapkán, jóval kisebb disszipáció mellett elérik a differenciál módú logikák sebesség tartományait. A differenciál módú logikák, pl. ECL használatával kapcsolatban a szakirodalomra, és a katalógusokra utalnék.

Dárf.1.2.

15/48


2004-02-20

Dárf.1.1.3.2. Egytípusú, szigetelt vezérlő elektródájú tranzisztorokból felépített logikai kapcsolások A szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok, megfelelő bekötés esetén (nagy értékű) ellenállásként is használhatók. Ezt a tulajdonságukat kihasználva hozták létre az első kapcsolásokat először p csatornás, majd a technológia fejlődésével a gyorsabb n csatornás térvezérlésű tranzisztorokból. Belőlük lettek kialakítva az első nagyintegráltságú elemek. Az első időben ezek a kapcsolások 2 vagy 3 tápfeszültséget igényeltek. pl. az n csatornás típusok +5, +12, és –5 V-t. Ez a tény, különösen a bemenetekre veszélyes –5 V jelenléte kellemetlen volt, mindenesetre ebben a három tápfeszültségű rendszerben készült és aratott nagy sikert, az első tömegméretben alkalmazott 8 bites mikroprocesszor, az Intel cég 8080-s típusa 1973-ban. Az első, forgalomba is került 8 bites mikroprocesszor, a holdra szálláshoz kifejlesztett Intel 8008 még +5, -9V-t kívánó p csatornás technológiával készült. 1969-ben. Kereskedelmi forgalomba került 1971-ben. Később a technológia fejlesztésével egy tápfeszültséget (+5 V) kívántak az n csatornás nagyintegráltságú elemek. Számtalan ma is forgalomban lévő mikroprocesszor készül n csatornás térvezérlésű tranzisztoros kapcsolás technikával. Pl. az egyik legjobb 8-bites processzor, a Z-80-as. Az egytípusú térvezérlésű tranzisztorokkal felépített kapcsolásokból alap áramkörök és közepes integráltságú elemek nem voltak forgalomban, így csak a legalapvetőbb kapuk kapcsolásait mutatjuk be. Dárf.1.1.3.2.1. Inverter: A föld felé egy záró működésű tranzisztor van beépítve. A tápfeszültség felé egy ellenállásnak kapcsolt tranzisztor. Amennyiben a bemenetre 0 szintet kapcsolunk, a tranzisztor le van zárva, és a kimenetre az Rm ellenálláson keresztül, a tápfeszültség által megszabott szint kerül. A kimenet feszültsége, az átfolyó áramtól függ. Ha a bemenetre magas szintet kapcsolunk, a tranzisztor kinyit, vagyis záródik a kapcsoló, a föld felé áram folyik. Az áram két részből tevődik össze. Egyrészt az Rm munkaellenálláson átfolyó áramból, másrészt a terhelő kapcsolások által felvett áramból. A kimenet feszültsége a bekapcsolt tranzisztor maradék ellenállásától és az átfolyó áramtól függő, kis értékű maradék feszültség. Fontos megjegyezni, hogy minden logikai kapcsolásra megadják, a kimeneti szintek függvényében, a helyes működéshez még megengedhető, maximális terhelő áramot. 20. ábra.

+ + Rm

Ki=Be

Ki

Ki

Be

Be

mozgatás vezérlése

Dárf.20. ábra. n csatornás FET-el kialakított INVERTER. Helyettesítő képe és az áramkör valós kapcsolása, a munkaellenállásnak kötött FET kihangsúlyozásával.

Dárf.1.2. 16/48


2004-02-20

Dárf.1.1.3.2.2. ÉS-NEM (NAND) kapu: Sorba kötjük a bemenetszámnak megfelelő számú tranzisztort, és a sor alsó pontját a földhöz, felső pontját a kimenethez kötjük. A magas szintet itt is a kimenet és a tápfeszültség közé épített ellenállásnak kapcsolt FET biztosítja. Ha bármelyik bemeneten alacsony szint van, az általa vezérelt tranzisztor lezár, a kimeneti pont a felhúzó ellenálláson folyó áram hatására magas szintre kerül. Amikor az összes bemeneti tranzisztort a magas szintű vezérlő jelek kinyitják, a kimenet a fölhöz közeli potenciálra kerül, teljesül a kapu logikai feladata. A kimeneti feszültségekre és áramokra az inverternél elmondottak az irányadók. Dárf.21. ábra. +

Ki A

B

C

21. ábra. n csatornás FET-el kialakított ÉS-NEM kapu Dárf.1.1.3.2.3. VAGY-NEM (NOR) kapu: Most párhuzamosan kötjük a földágban lévő tranzisztorokat. Az ellenállást az eddig megismerttel azonosan használjuk. Ha mindegyik bemeneten alacsony szint van, lezár az összes tranzisztor, a kimenet magas szintre kerül. Amennyiben bármelyik bemenet magas szintű vezérlést kap, kinyit a hozzá tartozó tranzisztor és a kimenet alacsony szintre kerül. Áramok és szintek a fentebbiek szerint. Dárf.22. ábra. Látható, hogy az aktív elektronikai hárompólusokkal kialakított összes alapkapcsolás invertáló jellegű. ÉS, illetve VAGY függvény létrehozásához, még egy sorba kötött inverterre van szükségünk. Az összetettebb kapcsolások kialakítása a következő fejezetben bemutatottak értelemszerű alkalmazásával előállítható. +

Ki A

B

C

Dárf.22. ábra. n csatornás FET-el kialakított VAGY-NEM kapu

Dárf.1.2.

17/48


2004-02-20

Dárf.1.1.3.2.4. Áteresztő kapu (transfer-gate): A térvezérlésű tranzisztorok egy érdekes és a gyakorlatban hasznos alkalmazása az áramutas logikának kötött FET. Ekkor a kapcsolások lényegileg megegyeznek a relés kapcsolásoknál elmondottakkal. Szint helyre állítására az előzőleg bemutatott invertert, vagy egyéb kaput használnak. Példaként egy, kettőről az egyre multiplexert mutatunk be. Dárf.23. ábra.

I0 + A Ki

I1

Dárf.23. ábra. Kettőről az egyre multiplexer kialakítása áteresztő kapunak kötött n csatornás FET-el

Dárf.1.1.4. Kiegészítő kapcsolós (CMOS) logikák: Dárf.1.1.4.1. Inverter: A kétféle vezérlésű IGFET-eket kihasználva, lehetséges olyan kapcsolások kialakítása, ahol csak kapcsoló üzemű tranzisztorokat használunk, és nincs a kapcsolásban ellenállás. Az alapelvet az Inverter kapcsolásán, ideális kapcsolókat feltételezve mutatjuk be. A kapcsolás két közös vezérlésű kapcsolóból épül fel. A záró kapcsolót a föld és a kimenet közé, míg a nyitó kapcsolót a kimenet és a tápfeszültség közé kötjük. Ha a bemenetre alacsony szintet vezetünk, az alsó kapcsoló zárva, a felső nyitva van és a kimenetre a magas szint, vagyis a tápfeszültség kerül. Amikor a bemenet magas szintű az alsó kapcsoló kinyit, felső lezár, a kimeneten az alacsony szint, a föld jelenik meg. Dárf.24.a. ábra. Látható, hogy a kapcsolás alap kérdése, a 0 idő alatt történő átkapcsolás, vagyis, hogy a felső és az alsó kapcsoló egy időben ne legyen nyitva, mert ekkor a tápfeszültség és a föld között korlátozás nélküli áram folyna, az eszköz tönkre menne. A valós IGFET-ek működési karakterisztikája megoldja ezt a kérdést. Egy valós vezérelt FET úgy viselkedik, mint egy változtatható ellenállás, melyet a kikapcsolt értéktől, tulajdonképpen igen nagy, több MΩ -s értéktől a teljes bekapcsolásig, néhányszor 10 Ω-ig változtatunk. A két IGFET ellenállása ellentétesen változik, így az átkapcsolás során mindig van egy jelentős áramkorlátozás a föld és a tápfeszültség között. Ezt a helyettesítést, a Dárf.24.b. ábrán mutatjuk be. Ferdén vonalkázva a szigetelőből készült közös mozgató kart jelöltük. A ma használatos rajzi elemekkel a Dárf.24.c. ábra mutatja az Inverter kapcsolását. Az elmondottak alapján rögtön látszik a kiegészítő (komplementer) kapcsolós megoldás egyik előnye: Állandósult állapotban maga a kapcsolás nem vesz fel teljesítményt, csak az átkapcsolás alatt. A kimenet a két szinttartományban egyformán viselkedik.

Dárf.1.2. 18/48


2004-02-20

Táp

kapcsoló mûködtetés

Ki

Be

a Táp

Táp

Rfelsõ

Be Ki

Ki

Be közös mozgatás vezérlés

Ralsó

c

b

Dárf.24. ábra. Kiegészítő kapcsolós (CMOS) INVERTER felépítése és helyettesítő kapcsolásai A bemutatott technológiát (kapcsolást) CMOS-nak nevezzük. Ez egy történelmileg kialakult név. Complementer Metal Oxid Semiconduktor Kiegészítőkapus fém oxid félvezető szerkezet. Kezdetben, a szigetelt vezérlő elektródájú tranzisztorok szigetelőanyaga szilícium dioxid SiO2, vezérlő elektródája alumínium Al anyagú volt. Ma már más anyagú, többnyire SiN3 (szilíciumnitrid) a szigetelés, és polikristályos Si (ami ugye félvezető anyag) a vezérlő elektróda. A név azonban megmaradt, és általánosan használatos. A CMOS szerkezet fizikai felépítését a Dárf.25. ábrán mutatjuk be. Bemenet

Kimenet

VDD

Poliszilicium gate Védõüveg

n+

n+

p+

n-csatorna

n-típusú szubsztrát

p+ p-csatorna

süllyesztett vastagoxid

Dárf.25. ábra. CMOS Inverter (félvezető) fizikai megvalósítása.

Dárf.1.2.

19/48


2004-02-20

Dárf.1.1.4.2. ÉS-NEM (NAND) kapu: A föld ágban sorba kapcsolt n csatornás tranzisztorok, a tápfeszültség ágban ugyanazokkal a bemenőjelekkel vezérelt párhuzamosan kötött p csatornás tranzisztorok helyezkednek el. Amikor bármelyik bemeneten alacsony színt van, a hozzátartozó n csatornás tranzisztor lezár, és a p csatornás tranzisztor kinyit. A felső ágban áram folyhat, a kimenet magas szintre kerül. Ha mindegyik bemenet magas szintű, a soros ág minden tranzisztora bekapcsol, egyúttal a felső ág minden tranzisztora lezár, a kimenet alacsony szintű lesz. Dárf.26. ábra. A kapcsolás teljesítményt csak az átkapcsolás alatt vesz fel.

+

A Ki A*B B

Dárf.26. ábra. CMOS NAND kapu kapcsolási rajza Dárf.1.1.4.3. VAGY-NEM (NOR) kapu: Most a kapcsolás az előző felépítés tűkörképe. Az alsó párhuzamos (Vagy-nem) ágban n csatornás, a felső soros ágban p csatornás tranzisztorokat építenek be. Most, ha bármelyik bemenet magas szintű, a hozzá tartozó n csatornás tranzisztor, az alsó ágban kinyit, a felső ágban levő p csatornás tranzisztor lezár, és a kimenet alacsony szintre kerül. Ha mindegyik bemenet alacsony szintű, az összes alsó tranzisztor lezár, a felsők kinyitnak, és a kimenet magas szintre kerül. Dárf.27. ábra. + A B Ki A+B

Dárf.27. ábra. CMOS NOR kapu kapcsolási rajza.

Dárf.1.2. 20/48


2004-02-20

Dárf.1.1.4.4. Összetett szerkezetű kapuk, az ÉS-VAGY-NEM kapu: A CMOS kapcsolástechnika lehetővé teszi összetett szerkezetű kapuk kialakítását is. Előnyük a kevesebb egymás utáni fokozat, így a bemenet-kimenet közti végrehajtás ideje kisebb lesz, és felépítésük kevesebb tranzisztort igényel. Példaként a 2x2 bemenetű ÉS-VAGY-NEM kaput mutatjuk be. A föld ágban, a kapuk sorrendjének megfelelően, sorosan kapcsolt n csatornás tranzisztorok vannak, a VAGY funkciónak megfelelően, párhuzamosan kapcsolva. A tápfeszültség ágban az alsó ág kiegészítő kapcsolása, a sorosan kapcsolt párhuzamos, p-csatornás tranzisztorok találhatók. Dárf.28.ábra. Ugyanezen az elven természetesen megvalósítható VAGY-ÉS-NEM kapu is. Ennek felrajzolását az olvasóra bízzuk.

+ C D Ki

A

A*B+C*D

B

Dárf.28. ábra. A ∗ B + C ∗ D ÉS-VAGY-NEM kapu kapcsolása a CMOS technikában Dárf.1.1.4.5. Áteresztő kapu (transfer-gate) megvalósítása: A CMOS kapcsolástechnika nagyon fontos eleme, a soros kapcsolóként (áramlogika) használható áteresztő kapu. Használatával a reléknél megvalósított, és a feszültség logikai kapcsolások előnyösen kombinálhatók, és számtalan más megoldásnál egyszerűbb kapcsolás alakítható ki. Az áteresztő kapu megvalósításához – a kisebb csatorna ellenállás megvalósíthatósága miatt - két darab párhuzamosan kapcsolt tranzisztort, egy n, és egy p csatornást használunk fel. Mivel a két típus ellentétes vezérlés hatására nyit ki, illetve zár le, most az egyforma működtetés érdekében a két tranzisztort, egy inverter felhasználásával ellentétesen vezéreljük. A kapcsolást, a Dárf.29. ábrán mutatjuk be. Ennél az elemnél lényeges ismertető adat a bekapcsolt áramkör csatorna jellemzői, ellenállása, árama. Az önálló elemként kapható áteresztő kapuval jellemzően néhány milliamperes áram kapcsolható. A digitális áramkörök belsejében használatos áteresztő kapuk ellenállása néhány kΩ, ez itt teljesen megfelelő. Az átfolyó áram is jellemzően a néhány, illetve a 10 µA-s tartományban mozog. Az analóg áramkörökben használatos áteresztő kapuk ellenállása néhányszor 10 Ω, különleges típusoknál néhány Ω, esetleg tized Ω nagyságrendjébe esik. Fontos jellemző még, hogy az analóg célra használatos áramkörök a földszimmetrikus jelátvitel miatt (többnyire) negatív tápfeszültséget is igényelnek. A kapcsolt jel csúcsértékeinek a tápfeszültségeknél kisebbnek kell lennie.

Dárf.1.2.

21/48


2004-02-20

Vezérlés Dárf.29. ábra. áteresztő kapu (transfer-gate) kialakítása. Dárf.1.1.4.6. Adatirányító kialakítása áteresztő kapu felhasználásával: Az adatirányító elvi felépítése megegyezik az áram logikánál bemutatott elvvel, csak itt most a soros ágban áteresztőkaput használunk. A kiválasztásra szolgáló bitekkel tulajdonképpen megcímezzük multiplexernél a kívánt be, demultiplexernél a kimenetet, és a kiválasztott kapuk bekapcsolásával biztosítják a soros adat utat. Az áteresztőkapu mindkét irányba vezet, így könnyedén kialakítható az analóg multiplexer/demultiplexer áramkör, ahol a kinyitott kapu átmeneti ellenállását igyekeznek kisebbre megvalósítani a tisztán az áramkör belsejében működő, digitális célú áramkörökben használttal szemben. A Dárf.30. ábrán az analóg kapcsolást mutatjuk be. Digitális áramkörhöz, a bemenetre és a kimenetre kapcsolt inverterekkel jutunk. Ezek bekötési iránya megszabja az áramkör funkcióját. A CMOS kapcsolástechnikában, mint azt látni fogjuk, sokféle alkalmazásnál használjuk fel az áteresztő kapus multiplexereket. Az analóg célú használathoz, földhöz képest szimmetrikus jelek átvitele szükséges. Ehhez az analóg multiplexerek két (+, -) tápfeszültséget igényelnek. Az egy tápfeszültségről táplált kapukat a negatív polaritású jel lezárja. Teljesen lineáris átvitel, csak a katalógusban megadott, a tápfeszültséget korlátozottan megközelítő jelszintekig van.

I0

I1

Y I2

I3

A

B

Dárf.30. ábra. Áteresztő kapukkal megvalósított, analóg jelre is használható adatirányító.

Dárf.1.2. 22/48


2004-02-20

Dárf.1.1.4.7. AZONOSSÁG (EKVIVALENCIA) és KIZÁRÓ-VAGY (EXOR) kapu megvalósítása áteresztő kapu felhasználásával: A multiplexer sajátos alkalmazása az EKVIVALENCIA, és negáltja a KIZÁRÓVAGY kapu CMOS-beli megvalósítása. Mindkét függvénynél az egyik bemenettel választjuk ki, hogy a másik bemenet ponált, vagy negált értéke kerüljön, a kimenetre. A két bemenet viselkedése a kimenet szempontjából teljesen szimmetrikus. A két féle függvény megvalósítása, csak abban tér el, hogy a bemeneti invertert, melyik ágba kötjük. Dárf.31. Dárf.32. ábrák.

B

A

B

A

B

A

Dárf.31. ábra. EKVIVALENCIA kapu kialakítása

B A

Dárf.32. ábra. EXOR kapu kialakítása Dárf.1.1.4.8. Ellenütemű meghajtó Bizonyos alkalmazásoknál, pl. dekóderek, memóriacímző áramkörök, stb. kívánatos, hogy egy erősített jel és a negáltja egyidejűleg változzon. Vagyis a jel és a negáltja között ne legyen időkésés. Ami az általánosan használt invertereknél természetesen fennáll. Ezt egy különleges felépítésű elemmel az úgynevezett ellenütemű erősítővel lehet elérni. Az áramkört és a jelképi rajzát a Dárf.33 ábrán mutatjuk be. Az elemmel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy a kimeneti jelszint statikus értéke és a jelregeneráló hatása rosszabb, mint a normál inverteré, de mivel ezt az elemet ilyen formájában csak az áramkörök belsejében használjuk, az előnyök nagyobbak, mint a hátrányok. A rajzon az inverter jelölés hagyományos inverter kialakítást jelent.

Dárf.1.2.

23/48


2004-02-20

A különleges felépítésű órajel meghajtó áramkörök között vannak forgalomban kiegyenlített kimenetű hasonló funkciójú áramkörök, de ott, az itt bemutatott megoldást még kimeneti erősítő követi. Az áteresztő kapus technikánál fontos az n és a p csatornás térvezérlésű tranzisztorok egyidejű vezérlése, ezért itt sűrűn használják az ellenütemű meghajtást. A rajzokon azonban ezt legtöbbször nem jelölik, és az ellenütemű meghajtó helyett csak két egymás után kötött invertert ábrázolnak. A tényleges megoldásokról többnyire csak a félvezető tervezőknek szóló irodalomból lehet tájékozódni.

+ JEL1

JEL

+ JEL1

Dárf.33. ábra. Ellenütemű meghajtó rajzi jelölése és felépítése Dárf.1.1.5. Tároló tulajdonságú elemek. Dárf.1.1.5.1. Hurokerősítő (Latch) kialakítása: A hurokerősítő, vagyis a kimenetről az egyik bemenetére visszakötött, kettőről az egyre multiplexer, illetve ÉS-VAGY kapu, fontos, aszinkron tároló elem. Önmagában kapuzott mintavételű tárként, úgynevezett latch-ként, nagy mennyiségben használatos.

D

Q

D G

Q

G

Dárf.34. ábra. Áteresztőkapuval megvalósított hurokerősítő fizikai kialakítása és logikai kapcsolása

Dárf.1.2. 24/48


2004-02-20

Dárf.1.1.5.2. Órajeles D tároló (flip-flop) kialakítása: Latchek felhasználásával alakítható ki a ma legnagyobb tömegben gyártott órajel vezérelt tároló elem, a D flip-flop. A D flip-flop felépítéséhez két elemi tárolóra, latchre van szükség. A két elemi tárolót egymás után kapcsolva, és ellentétes fázisú órával vezérelve, kapjuk a kimenetéről a bemenetére most már akár szabadon visszaköthető tároló elemet, a D Flip-flopot. Mint látható ez a kapcsolás tulajdonképpen egy MASTER-SLAVE szerkezet, de mivel az élvezérelt és a Master-Slave megoldás az egy vezérlő bemenetű tárolóknál, külső vizsgálattal nem különíthető el, a gyakorlatban élvezérelt tárolóként kezeljük. A Dárf.35. ábrán bemutatott kapcsolás tartalmazza az aszinkron beíró és az aszinkron törlő bemenetek megvalósítását is. Az ábrán szereplő ÉS-NEM kapuk VAGY-NEM-re cserélésével magas szinten hatásos aszinkron bemenetű megoldást kapunk. Amennyiben nem szükséges az aszinkron bemenet használata, a kapuk helyett egyszerű invertert használunk. A Master és a Slave rész áteresztőkapuinak vezérlése át nem lapolódó órajelet kíván. Ezt az egymás után kötött inverterek önmagukban nem biztosítják. Megoldásként a “Mintavételezett tárolók” fejezetben bemutatott fázishasító erősítő és a CMOS áteresztő kapu meghajtási kívánalmai miatt a Dárf.1.1.4.8. alatt bemutatott ellenütemű meghajtó együttes alkalmazásával, (vagy a fázishasító ennek megfelelő kialakításával) érik el. A katalógusok erről a megoldási részletről többnyire hallgatnak. (Végül is ez a gyártó saját, gyártástechnikai ügye.) A CMOS kapcsolástechnikában a más típusú tárolót is többnyire a D tároló felhasználásával alakítják ki, valamint összetett alkalmazásokban számtalan regisztert használnak, ezért a D flip-flop a legnagyobb számban megvalósított tároló kapcsolás. PRESET

D

Q

C

CLEAR

Dárf.35. ábra. Áteresztőkapukkal megvalósított, felfutó él vezérelt D tároló, aszinkron beírással és törléssel.

Dárf.1.2.

25/48


2004-02-20

Dárf.1.1.5.3. J-K tárolók megvalósítása D tároló felhasználásával: A D tároló kimeneteinek vezérlőjelként való felhasználásával, a pillanatnyi állapotból az ellenkező irányba billentő bemenet engedélyezésével alakítják ki. Eltérés a felépítésben, csak a két megoldás igazságtáblájából következően és a kétféle óraél, gyakorlatban elterjedt megoldási szokásából adódik. Dárf.36., Dárf.37. ábra. PRE

J

C

C TG

Q

TG

K C

TG

C

CLK

C

C

C

TG

C

C

C

Q

CLR

Dárf.36. ábra. Hátsó (lefutó) él vezérelt J-K tároló PRE

C

J

C

TG

Q

TG

K C

CLK

C C

C TG

C C TG

C

C

Q

CLR

Dárf.37. ábra. Felfutó él vezérelt J − K tároló Számláló és egyéb áramkörök kialakításakor bizonyos esetekben igen előnyösen alkalmazható a T tároló. Kialakítását vagy a J-K két vezérlő bemenetének az összekötésével, vagy a D vezérlőbemenetre kötött KIZÁRÓ-VAGY kapu egyik bemenetének a Q kimenetről való vezérlésével érik el. Ekkor a másik bemenet adja a T vezérlés lehetőségét. Ha figyelmesen megvizsgáljuk a két megoldást, látható, hogy ugyanarról a kapcsolásról van szó. A kapcsolások lerajzolását az olvasóra bízzuk. Megjegyzendő, hogy T tároló, mint elemi tároló, az alap áramköri sorozatoknál nincs forgalomban.

Dárf.1.2. 26/48


2004-02-20

Dárf.1.1.5.4. Dinamikus tároló elem kialakítása: A térvezérlésű tranzisztorokból megvalósított kapcsolásoknál tárolást nem csak flipflopokkal, hanem kondenzátoron tárolt töltéssel is meg lehet valósítani. Előnye a kis helyszükséglet, hátránya, hogy csak a kondenzátor kisüléséig őrződik az információ. Az ilyen tároló elemeket időnként újra tölteni, frissíteni kell, ezért ezt a megoldást dinamikus tárolónak nevezik. Jellemzője a léptetést szolgáló minimum kétfázisú órajel, (Dárf.38. ábra.) és a teljes körre történő visszacsatolás. A teljes áramkörre példát, a regiszterek fejezetben mutatunk be.

IX

C Dárf.38. ábra. Dinamikus léptetőregiszter egy cellájának a felépítése. Dárf.1.1.6. CMOS áramkörök kimeneteinek a megvalósításai: Az eddig bemutatott kapcsolási megoldások megvalósítják a logikai függvényeket és egyéb elemeket. A CMOS kialakítás nagy előnye, az egyszerű szerkezetű kialakítás miatt, a kis helyigény, és a feszültségvezérlés miatt, a rendkívül kicsi energia felvétel. A Nagyon kis méretű tranzisztorok azonban igen kicsiny áramok szállítására képesek. Az IC belsejében elégséges a néhány µA is. Más a helyzet a kimeneteknél. Itt azonos típuscsaládba tartozó, vagy más típuscsaládba tartozó, illetve bizonyos esetekben külső terhelések igényeit is kielégítő mA – 10 mA nagyságrendű áramot is kell szolgáltatnia a kimenetnek. Ezenkívül speciális megoldások szükséglete is felléphet. Mindezen követelmények teljesítésére dolgozták ki a kimeneti meghajtó áramköröket. Az általános feladat a “nagy” áram szállítás követelménye széles, és rövid tranzisztorokat igényel. Ez egyrészt nagy helyfoglalási igényt jelent, másrészt a nagy vezérlő felület, egyúttal nagy kapacitást is jelent. Ennek a vezérlés által megkívánt feltöltése időigényes, emiatt a kimeni meghajtókon a jelkésleltetési idő nagyságrenddel nagyobb, mint az áramkör belsejében lévő kis méretű elemeken. A legelső, ma is kapható 4000-s sorozatnál ez 100-150 ns volt, a mai átlagos CMOS kapuk kimeneti meghajtóinál 10-20 ns, a leggyorsabb FC soroknál jó néhány kiegészítő elem alkalmazásával néhány ns. Az áramkörök belsejében, a gyors technológiai soroknál, egy kapu késleltetési ideje már 100 ps alatt is van. Dárf.1.1.6. 1. Ellenütemű (TOTEM-POLE) kimenet: A leggyakrabban használt kimenet mindkét irányban (alacsony, illetve magas szint) azonos terhelhetőségű, csekély maradékfeszültségű meghajtást biztosít. Felépítése lényegileg egy nagy méretű tranzisztorokból kialakított inverter. A meghajtása a logikai kapuktól több egymás utáni, fokozatosan növekvő fizikai méretű inverteren keresztül történik. A legkorszerűbb soroknál a kimeneti tulajdonságok javítása végett, a meghajtó már a térvezérlésű tranzisztorokon kívül tartalmaz bipoláris tranzisztorokat is. Ez az úgynevezett BiCMOS (kombinált bipoláris CMOS) technológia. A hagyományos CMOS Totem-pole kimenet rajza megegyezik egy inverterével, ezért a Dárf.39. ábrán a korszerű BiCMOS kimeneti meghajtó vázlatos felépítését mutatjuk be.

Dárf.1.2.

27/48


2004-02-20

Totem-pole kimenetet más Totem-pole kimenettel összekötni tilos! Ugyanis bármikor egyszerre nyitva lehetnek az ellentétes ágban lévő kimeneti tranzisztorok, rendkívül nagy áram folyik, minek következtében a kimenetek tönkre mennek. Ez alól egy eset kivétel, ha az egy tokban lévő, és azonosan vezérelt kapuk kimenetét kötjük össze, akkor az áram meghajtó képességek összeadódnak, lényegileg szigorúan egyforma tranzisztorok párhuzamos kapcsolásával teljesítménynövelést hajtunk végre. VCC

~ ~

~ ~

~ ~

~ ~

Dárf.39. ábra. BiCMOS Totem-pole kimenet megvalósítása Dárf.1.1.6.2. Csak egyik irányban kapcsolót tartalmazó kimenetek: Bizonyos alkalmazásokban szükségünk van arra, hogy a kimenetünket más kimenettel összeköthessük, és a közös vonalat megfelelő szabályok szerint vezéreljük. A legrégebbi ilyen kapcsolásban, a földágban van csak tranzisztor, és a magas szintet a kijárat és a táp közé kapcsolt ellenállással biztosítjuk. Hagyományosan ezt a kapcsolást nyitott kollektorosnak nevezzük, ugyanis még az egyedileg használt bipoláris tranzisztorok használatával kialakított, legrégibb aktív áramkör. A kimenetre párhuzamosan, másik azonos típusú kimenettel szabadon kapcsolódhatunk. Ha bármelyik kimenet tranzisztora aktív (be van kapcsolva, vagyis vezet), akkor a kimenet alacsony szintű, és mellette egy akármilyen állapotú másik kimeneti tranzisztor működhet. Amennyiben az összes, egy vezetékre kötött tranzisztor lezár, a kimeneti vonalat az ellenállás magas szintre húzza. A vezetékkel való összekötés, és az elmondottak miatt ezt a megoldást huzalozott ÉS kapcsolatnak nevezik. Gyakoribb azonban a negatív logikai megnevezése, a huzalozott VAGY kapcsolat. Vagyis bármelyik bemenet aktív a kimenet aktív, vagyis alacsony. Ez a szemlélet, mivel a nyitott kollektoros alkalmazások (CMOS-ban open drain) nagy része, sínrendszerek kialakítására szolgál, az elterjedtebb. Dárf.40. ábra. A másik lehetséges megoldás a huzalozott kapcsolat kialakítására, hogy a kimeneten csak a felső ágban van tranzisztor és az alacsony szintet, a föld felé bekötött ellenállás szolgáltatja. ez a nyitott emitteres, itt open source kimenetű áramkör. Dárf.41. ábra. Alkalmazása újabban a kifejezetten nagy sebességű áramköri síneknél újra terjed. Mindkét kimenet vezérlése megengedő VAGY jellegű!

Dárf.1.2. 28/48


2004-02-20

Adat

Dárf.40. ábra. nyitott DRAIN kimenetű áramkör felépítése, és rajzjele. +

Adat

Dárf.41. ábra. nyitott SOURCE kimenetű áramkör felépítése. Dárf.1.1.6.3. Három-állapotú (TRI-STATE) kimenetek: Az előző két megoldás kombinációja a háromállapotú kimenet. A kimenet engedélyezett állapotában mindkét szintet meghajtó tranzisztorokat működtet. A kimenet tiltása esetén lezárja mindkét kimeneti tranzisztorát és így egy elvileg szakadt, gyakorlatilag, 0,5 - 10 MΩ nagyimpedanciás állapotot képvisel. Ha a kimenet kikapcsolt, ekkor, de csak is ekkor egy másik kimenet aktív állapotba vezérelhető. Vagyis a kimenet vezérlése csakis kizáró-vagy jellegű lehet! Vigyázat! Semmiféle KIZÁRÓVAGY kapu nem kell a vezérléshez. A háromállapotú (tri-state) kimenetre két megoldást mutatunk be. A Dárf.42. ábrán, az IC kimenetén használatos nagy áram meghajtására képes kapcsolást. Figyeljük meg, itt lényegileg a Totem-pole-nál megismert kimenet van, “csak” a vezérlése más. A Dárf.43. ábrán az IC belsejében használható egyszerűbb, de csak kis áramot szolgáltatni képes kapcsolást rajzoltuk le. A tri-state kimenetek és az egy tranzisztoros kimenetek használatára, a kimenetek különleges használatára, az "Adatirányítók és sínrendszerek", című fejezetekben, külön kitérünk. + Adat Ki Eng

Dárf.42. ábra. IC kimenetén használt háromállapotú meghajtó kapcsolási felépítése

Dárf.1.2.

29/48


2004-02-20

+

Adat

Ki=Adat

Eng

Dárf.43. ábra. IC belsejében használatos (kisáramú) háromállapotú kimenet felépítése Dárf.1.1.7. Bemeneti kiegészítő kapcsolások: Dárf.1.1.7.1. Negatív túllendülés és statikus feltöltődés (ESD) elleni védelem: A CMOS áramkörök bemenetén két okból is védő kapcsolást kell elhelyezni: - A nagysebességű H-L átmenet a vezeték induktivitásán egy negatív feszültség felé induló berezgést okoz. Ennek a berezgésnek a pozitív tartományba eső része olyan nagy is lehet, hogy a bemenet H szintnek érzékelné. Ez a zaj káros, megszüntetése, illetve elfogadható szintre csökkentése legegyszerűbben a föld és a bemenet közé kötött negatív feszültségű diódával lehetséges. Amikor a berezgés szintje meghaladja a dióda nyitófeszültségét, az kinyit, és elvezeti a rezgés energiájának jó részét. Ennek következtében a pozitív félhullám már bent marad az alacsony színt tartományban. - A másik ok, ami miatt a bemenetet védeni kell az, hogy a bemeneti vezérlő kapu elektróda a föld felé néhány pF kapacitást képvisel és a CMOS kapcsolásnak nagyon nagy a bemeneti ellenállása. A bemeneti kapacitás így kis töltés hatására is nagy feszültségre tud feltöltődni. Ez a nagy feszültség már képes lenne átütni a vezérlő elektróda és a csatorna közti szigetelőréteget, mely átütés a szerkezet tönkremenéséhez vezetne. A feltöltődés a munka közben keletkező statikus feszültség hatására is bekövetkezhet. Egy műszálból készült köpeny, vagy gyapjú anyagú ruházat a természetes mozgás hatására 4-7 kV-ra is feltöltődhet. A testünkhöz képest kis kapacitású bemeneten, így hasonló nagyságú, veszélyes feszültség alakulhat ki. Ez ellen több helyen is védekeznek. Egyszer a ruházat és a munkahely megfelelő kialakításával - erről lásd majd a megfelelő fejezetet - a szállításhoz az alkatrészek feltöltődését gátló csomagolás használatával, és a bemeneti feltöltődés gátló kapcsolás kialakításával. A feltöltődést gátló hálózat egy a földhöz, illetve a tápfeszültséghez kötött dióda híd, mely úgy van bekötve, hogy a normális vezérlőjelek esetén zárva van, míg a tápfeszültségnél nagyobb pozitív feszültség esetén a táp felé, negatív feszültség esetén a föld felé kinyit, és levezeti a töltést. A két dióda pár között egy körülbelül 1 kΩ-s ellenállás van az átfolyó áram korlátozására. A normál működést, mivel egy CMOS kapu bemenete csak néhány µA terhelő áramot jelent, nem befolyásolja. A teljes bemeneti védőkapcsolást a Dárf.44. ábrán mutatjuk be. A valós megvalósítás során ez a kapcsolás egyetlen darab, megfelelően kialakított félvezető szakaszt jelent. Megjegyzendő, hogy a feltöltődés ellen védő dióda pár, a korszerű sorozatokban már többnyire az áramkör kimenetére is rá van integrálva. Soros ellenállás itt természetesen nincs.

Dárf.1.2. 30/48


2004-02-20

+

Belsõ pont Láb kikötés helye (tappancs)

Dárf.44. ábra. CMOS áramkörök bemeneti feltöltődés ellen védő kapcsolásának helyettesítő képe A csökkentett tápfeszültségű logikáknál fellép egy harmadik indok is a védelemre. Ha két különböző feszültségről működő logikát összekötünk, a nagyobb tápfeszültségről működő magas logikai szintje, meghaladhatja az alacsonyabb tápfeszültséget. Ez esetben az alacsonyabb tápfeszültségű áramkör bemenetén lévő védődiódán keresztül a magasabb feszültségű logikai jel megemelné a tápfeszültséget. Ez nem kívánatos, ezért a bemenetre ilyen esetekben Zener diódát integrálnak be. Dárf.45. ábra. A bemutatotton kívül még sokfajta védőkapcsolást használnak.

VCC

Bemenet

ALVC Áramkör

Kimenet

Dárf.45. ábra. Kis feszültségű logika be és kimeneti feltöltődés ellen védő hálózata CMOS áramkör szabadon hagyott bemenete, a pillanatnyilag rajta lévő töltésnek megfelelő szintet érzékel. Ez az érzékelt szint véletlenszerűen változik (elég, ha a kezünket közelítjük hozzá) ezért a működésben zavart okoz. További kellemetlen tulajdonsága, hogy a véletlenszerű szint, akár az érzékelési tartomány közepére is beállhat, és ennek hatására a kimenet folyamatosan változik, berezgés alakul ki. A berezgés során, mivel ekkor a tranzisztorok jórészt az átkapcsolási tartományukban dolgoznak, nagy disszipáció alakul ki. Ez a disszipáció szerencsétlen esetben az áramkör meghibásodásáig növelheti a chip hőmérsékletét. A nem használt bemenetet ezért állandó szintre, ÉS típusú bemenő kapu esetén tápra, VAGY típusú bemenő kapu esetén földre kell, kötni. Lehetséges a fel nem használt bemenet összekötése a kapu másik, vezérelt bemenetével is, ez azonban többnyire lassítja az áramkör működését.

Dárf.1.2.

31/48


2004-02-20

Dárf.1.1.7.2. A szabadon hagyott bemenet által okozott berezgés elleni védelem, BUS-HOLD (sín állapot tartó) áramkör: Tri-state sín használata esetén a sín nagy impedanciás, más néven lebegő állapotba vezérlésekor a bemenet érzékelése a szabadon hagyott lábnak megfelelően alakul. Aktív jelvezetékről lévén szó most csak a jelvezeték és a tápfeszültség, esetleg jelvezeték és a föld felé bekötött ellenállással biztosítható a bemenetek bizonytalan állapotának a megszüntetése. Az ellenállás beépítése, többletmunkát, költséget és disszipációt jelent. Ennek elkerülésére dolgozták ki a legkorszerűbb sorozatoknál a lebegő állapot megszüntetésére szolgáló Bushold (sín állapot tartó) áramkört. Dárf.46. ábra. Az áramkör egy nagy értékű ellenálláson keresztül a bemenő jelre visszacsatolja, saját korábbi értékét. A két ellenállás nagy érték eltérése miatt, normál meghajtás esetén, a bemenő kapun, a sínen lévő feszültség van. Amikor a sín nagy impedanciás állapotba kerül, a bemenő pontról (lábról) megszűnik a meghajtás, és a belső pont feszültségét a nagy értékű ellenálláson keresztül a két inverterből álló tároló szabja meg.

1kOhm Bemeneti inverter 50-100kOhm Bemeneti Bus-Hold cella

Dárf.46. ábra. Bus-Hold áramkör megvalósítása Dárf.1.1.8. A teljes CMOS kapcsolás felépítése: A CMOS áramkörök kezdetben névlegesen 12 V-ról működtek (az 1968-ban megjelent RCA CD4000-s sorozat). Bár az áramkör továbbfejlesztett megoldásai működőképesek voltak 2 Vn is, a gyakorlatban többnyire a nagyobb tápfeszültséget használták, mert az áramkör itt is lényegesen lassúbb volt (100-150 ns tipikus kapukésleltetési idő), mint az akkor forgalomban volt bipoláris áramkörök. Ma (2000-ben) még az 5 V-ról működő típusok az általánosak, de már pár éve erősen futnak fel a 3 V- körüli tápfeszültségről működő családok, és megjelentek a piacon az 1,5 V-s családok is. Megjegyzendő, hogy az elterjedt időmérőkben, az úgynevezett “kvarcórákban” is CMOS technológiájú áramkörök működnek, 1,2 V-s elem feszültségről. Érdekességként említem meg, hogy ez a piaci szegmens, jelentős hasznával, erősen hozzájárult az áramkörök fejlesztési költségeinek az elnyeléséhez, és ezzel az általános célra használt áramkörök árának csökkenéséhez. Eddig részleteiben bemutattuk a CMOS áramkör felépítését. A gyakorlatban forgalomba kerülő áramkörök ezekből a részletekből vannak kialakítva. A bemeneteken mindig van

Dárf.1.2. 32/48


2004-02-20

védelmi áramkör. Amit a logikai helyettesítő rajzon nem tüntettünk fel. Ezt az egységes szintnél történő érzékelés miatt inverter követi, majd a logikai szerepet kialakító kapcsolás következik. A kimeneti nagy áramú tranzisztorpárt többfokozatú erősítés után hajtjuk meg. Az összetett kapcsolás felépítését a Dárf.47. ábrán mutatjuk be.

Dárf.47. ábra. Egy három bemenetű CMOS NAND kapu teljes kapcsolási felépítése

Dárf.1.2.

33/48


2004-02-20

Dárf.1.1.9. Bipoláris tranzisztorokból megvalósított logikai áramkörök. Elméleti alapon a térvezérlésű tranzisztor leírása előbb történt meg, de gyakorlati megvalósításban a bipoláris tranzisztor volt az először megvalósított félvezető alapú erősítő elem. W. Schokley, J. Bardeen, W. H. Brattain 1948. A Nobel díjat 1956-ban kapták meg. Az első, félvezetőkkel felépített, logikai kapukat is bipoláris tranzisztorokkal valósították meg. Az integrált áramkörök első megvalósításai is bipoláris tranzisztorokkal történtek. Már az integrálás kezdeteitől készültek műveleti erősítők és más analóg elemek is, de a bipoláris digitális áramkörök voltak az először tömegesen elterjedt integrált áramkörök. Ezt elősegítette, hogy a kapcsoló üzemű áramkörök a két használatos logikai szinttartományban való működéshez nem kívántak kis tűrésű tranzisztorokat és pontos ellenállás értékeket. A kezdeti megvalósításokban az ellenállások értéktűrése még 50% körül volt, és jó eredménynek számított, amikor már tömegesen tudtak a félvezető lapkán előállítani 20%-os értéktűrésű ellenállásokat. Dárf.1.1.9.1. A bipoláris tranzisztor, kapcsoló üzemű működése: Egy tranzisztor vezérlésének durva közelítésben három szakasza, ezen belül két szélső állapota van: - A bázis feszültsége alatta van a bázis-emitter dióda nyitó feszültségének, a bázisban nem folyik áram, ennek következtében a kollektor körben sem folyik vezérelt áram, a tranzisztor lezár, szakadásként viselkedik. Ilyenkor csak 10-100 µA nagyságú, úgynevezett maradék kollektor áram mérhető. - A bázisra kapcsolt feszültség növelésével a bázis-emitter dióda kinyit, bázisáram folyik és vele arányos kollektor áram mérhető. Ebben a tartományban használjuk a tranzisztort erősítőként. - A bázisáram további növelésével elérjük a teljesen bekapcsolt tartományt, ekkor a kollektor áram felvesz egy maximális, a bázisáram értékétől független telítési értéket. Az emitter és a kollektor között egy minimális, a kinyitott tranzisztorra jellemző maradékfeszültség, az úgynevezett szaturációs feszültség (Um) mérhető. A maradék feszültség nagysága jellemző az alkalmazott tranzisztor gyártási technológiájára. A digitális technikában alkalmazott integrált áramköri tranzisztorok maradék feszültsége, a tranzisztor típusától függően 0,4; 0,5 V körül van. Gyártanak úgynevezett kapcsoló tranzisztorokat is 0,2 V-nál kisebb maradékfeszültséggel is, de ezeket a típusokat nem használják az integrált áramkörök kialakításakor. A bipoláris tranzisztor bekapcsolásakor, a minden példánynál biztosan előálló bekapcsolt üzem biztosításához, a tranzisztorokat a bekapcsoláshoz szükséges bázisáram többszörösével kell vezérelni. Ez a vezérlés többlet töltés bepumpálásával telítésbe viszi a bázis emitter átmenetet. A kikapcsoláskor ezt a többlettöltést el kell szállítani a telítésbe vezérelt tranzisztorból, ami időt igényel. Tehát bekapcsoláskor a nagy árammal túlvezérlés a célszerű, a tranzisztor gyors bekapcsolásához, míg kikapcsoláskor a többlettöltések elszállítása gondot, holtidőt jelent. Megoldást, a tranzisztor kapcsoló üzemének gyorsítását, a telítés megakadályozása, annak csak határhelyzetébe vezérlése jelenti. Ezt egy, a kollektor és a bázis közé bekötött, úgynevezett telítéskorlátozó dióda használatával érik el. Erre a célra a gyors működésű fém-félvezető típusú, úgynevezett Shottky-Barrier diódát használnak. Az így kialakított kapcsolást Shottky tranzisztornak nevezik. Kialakítását, és a közös rajzjelüket, a Dárf.48. ábrán mutatjuk be. A telítéskorlátozás működése: Ha a bázison alacsony szint van, bázisáram nem folyik, a tranzisztor le van zárva, kollektorán a külső elem(ek) által meghatározott magas színt van.

Dárf.1.2. 34/48


2004-02-20

Amikor a bázist magas szintű meghajtás következtében árammal vezéreljük, a tranzisztor kinyit, kollektora alacsony szintre kerül, és a kis nyitófeszültségű diódán keresztül megfogja a bázis szintjét, a telítéshez szükséges áram határhelyzetében. Ezáltal megakadályozza a telítést, és a tranzisztor kikapcsolása gyorsan megtörténhet. Vagyis telítésbe vezérlés (gyorsított bekapcsolás) csak a bekapcsolt állapot eléréséig van, utána annak határhelyzetében tartva a vezérlő áramot, nincs a kikapcsoláskor holtidő, a tranzisztor maximális sebességgel lezárható. A tranzisztor működése szempontjából a telítéses üzem annyira jellemző, hogy az így felépített kapcsolást telítéses üzemmódúnak hívjuk, megkülönböztetésül, a lineáris üzemmódban működő egyéb megoldásoktól. A bipoláris tranzisztoros kapcsolás, az áram vezérlés szükséglete, és az ellenállások használata miatt, nyugalmi állapotában is vesz fel teljesítményt. Az átkapcsolási folyamat során a lineáris tartományban működő tranzisztor teljesítmény disszipációja megnő.

Shottky tranzisztor Dárf.48. ábra. Telítéskorlátozott tranzisztor felépítése Dárf.1.1.9.2. Bipoláris tranzisztorokból megvalósított ÉS-NEM (NAND) kapu felépítése: Az ÉS kapcsolatot diódás kapuból valósítják meg. A diódás szinthelyreállító kapcsolás kiképezhető úgy is, hogy egy tranzisztornak több emittert és egy kollektort alakítanak ki. Ez az úgynevezett több emitteres tranzisztor. Az első bipoláris tranzisztorokból kialakított sorozatok ezt a megoldást alkalmazták. A sebesség növelésével, Shottky diódák alkalmazása mellett visszatértek a gyorsabb működésű diódás ÉS kapu megoldáshoz. A technikai sorozatok elnevezésében a több emitteres tranzisztor névadóként jutott szerephez. A bipoláris sorozatokat Tranzisztor-tranzisztor logikának, rövidítve TTL-nek nevezik. A diódás ÉS kaput, egy negáló tulajdonságú kimeneti meghajtó fokozat követi. A t2 tranzisztor, mint fázishasító fokozat működik, és biztosítja a kimeneti Totem-pole végfokozat helyes meghajtását. Ha a logikai kapcsolat eredménye alacsony színt, a fázishasító tranzisztor lezár, az R2 ellenállás a föld felé viszi a t3 tranzisztor bázisát, erre a t3 is lezár. Az R3-n keresztül folyó áram kinyitja a felső t4 tranzisztort, és a kijárat magas szintre kerül. A magas szint meghajtását az R4-n keresztül korlátozott áram biztosítja. Amikor teljesül az ÉS feltétel, az R1 ellenálláson keresztül folyó áram nyitásba vezérli a t2 tranzisztort. Ennek hatására R2-n megemelkedik a feszültség, és áram folyik a t3 tranzisztor bázisába. A t3 kinyit és a maradékfeszültsége képviseli az alacsony szintet. Most az R3 alsó fele a t2 kinyitása miatt alacsonyabb szinten van a korábbinál, ez nem elég a t4 tranzisztor kinyitásához, az lezár. Az átkapcsolás során az R4 korlátozza az esetlegesen folyó áramot. A felső ággal sorba kötött dióda a t4 tranzisztor emitter pontját megemeli, ezzel is segíti a zárás kialakulását. A Dárf.49. ábrán bemutatott kapcsolás az alapja minden TTL logikának. A fejlődés során a sebesség növelése, az áramkör paramétereinek javítása, valamint a külső negatív lengés elleni védelem céljából számtalan kiegészítő elemet építettek be. A gyors sorozatokban a kimeneti felső tranzisztort kivéve, mely sohasem kerülhet telítésbe, az összes tranzisztor telítéskorlátozott Shottky tranzisztor. A ma létező legnagyobb sebességű bipoláris, az F (FAST = gyors) sorozat kapcsolását a Dárf.50. ábrán mutatjuk be.

Dárf.1.2.

35/48


2004-02-20

+ R1

R3

R4

t4 t1 t2

A

Ki

B

t3

R2

Dárf.49. ábra. Kétbemenetű NAND (ÉS-NEM) kapu (7400) felépítése, bipoláris tranzisztorokkal megvalósított TTL logika esetén.

VCC 10k

10k

4,1k

45

D1 Q5

Q1

D7

D3

Q6

D5 D2

5k D8

D4 D6

D9

Q2

Q3

3k 15k

2k D10

D11 Q7

D12

Q4

Dárf.50. ábra. FAST sorozatú NAND kapu kapcsolási rajza Dárf.1.1.9.3. Bipoláris tranzisztorokból megvalósított VAGY-NEM (NOR) kapu felépítése: A TTL sorozatoknál a bemenetek azonos áramköri kialakítása, egybemenetű ÉS kapunak megfelelő felépítéssel történik. A VAGY funkciót a bemenetszámnak megfelelő számú fázishasító tranzisztor párhuzamos kapcsolása biztosítja. Bármelyik bemenet magas szintű, a hozzátartozó tranzisztor kinyit és biztosítja a kimenet alacsony szintű meghajtásához szükséges vezérlést. Ha a bemenetet ÉS kapunak alakítják ki, az elterjedten használt ÉSVAGY-NEM kaput kapunk. Felépítésére lásd a katalógusokat, pl. 74.51, 74.54, 74.64 stb. Itt említjük meg, hogy a továbbiakban a technológiai sorokat jelző betűkombinációk helyett minden olyan helyen pontot, egyes helyeken kis x-t teszünk, ahol nem a konkrét típusra, hanem az áramkör logikai felépítésére hivatkozunk. A legegyszerűbb VAGY-NEM kapu, a kétbemenetű 74 02, áramköri felépítését a Dárf.51. ábrán mutatjuk be.

Dárf.1.2. 36/48


2004-02-20

Táp (VCC)

4k

1,6 k

130

Bemenet A

Kimenet Y

4k

Bemenet B

1k

GND

Dárf.51. ábra. kétbemenetű bipoláris VAGY-NEM kapu (7402) áramköri rajza Dárf.1.1.9.4. Elemi EKVIVALENCIA kapu megvalósítása bipoláris tranzisztorokból Az EKVIVALENCIA és a KIZÁRÓ-VAGY kapu megvalósítására a bipoláris áramköröknél egy sajátos kapcsolás technikát alkalmaznak, amit a Dárf.52. ábrán mutatunk be. A kapcsoló elem itt a bázisában és az emitterében vezérelt bipoláris tranzisztor. A közös kollektor pont akkor kerül alacsony szintre, ha az emittere alacsony szinten van és a bázisa egy magas szintű meghajtásból eredően, nyitóirányú áramvezérlést kap. A kimeneti meghajtást a már bemutatott megoldás biztosítja. A részletes elemzést az olvasóra bízzuk

+

A

Dárf.52. ábra. EKVIVALENCIA kapu megvalósítása a TTL áramkörökben

Dárf.1.2.

37/48


2004-02-20

Dárf.1.1.10. A bipoláris kapcsolások kimeneteinek megvalósításai: Dárf.1.1.10.1. Ellenütemű (TOTEM-POLE) kimenet: A legáltalánosabban használt Totem-pole kimenet kialakítását, már az eddigiekben bemutattuk. Dárf.1.1.10.2. Nyitott kollektoros kimenet: A nyitott kollektoros kimenet nem tartalmazza a felső ágban lévő áramkört, csak a föld felé kapcsoló kimenő tranzisztort.

+ R1

R3

t1 t2

Ki t3

R2

Dárf.53. ábra. Egy nyitott kollektoros kimenetű inverter teljes kapcsolási rajza

Dárf.1.2. 38/48


2004-02-20

Dárf.1.1.10.3. Háromállapotú (Tri-state) kimenet: A háromállapotú kimenet itt is az ellenütemű kimenet vezérlésének a módosításával áll elő. A kimenetet az engedélyező bemenetről vezéreljük. A bemeneten a vezérlési szükségletnek megfelelően egy teljes erősítő, vagy inverter fokozat van kialakítva, és innen az alacsony szintű kimenet biztosító tranzisztor, az ÉS kapu plusz bemenetén keresztül van letiltva, vagy engedélyezve, míg a magas szintet biztosító tranzisztor bázisát egy diódán keresztül húzzuk alacsonyba és így biztosítjuk a kimenet tiltását. A Dárf.54. ábrán, a 74S134 12 bemenetű, háromállapotú ÉS-NEM kapu, teljes kapcsolási rajzát mutatjuk be.

2,8 k

INPUTS B D F H

VCC

50

OUTPUT Y

A C E G I

J K L

2,8 k OUTPUT CONTROL

GND

Dárf.54. ábra. Háromállapotú kimenettel felépített bipoláris áramkör teljes kapcsolási rajza.

Dárf.1.2.

39/48


2004-02-20

Dárf.1.1.11. Átviteli Karakterisztikák A digitális áramkörök fontos jellemzői a bemeneti feszültség függvényében a kimeneti feszültségeket megadó görbék, az úgynevezett átviteli karakterisztikák. A digitális áramkörök a sávos értelmezési tartományokból következően nem lineáris működésűek. Ennek folytán a be és kimenet közti kapcsolatot legegyszerűbben egy grafikus ábrázolással adhatjuk meg. Dárf.1.1.11.1. Egyszerű bipoláris kapuk átviteli karakterisztikái Legelőszőr nézzük a legrégebbi, az úgynevezett normál TTL sorozat átviteli görbéjét! Dárf.55. ábra. A bemeneti feszültséget a föld és az egyik bemenő láb között, a kimeneti feszültséget a föld és a kimenet között mérjük. A görbe több részből épül fel: a Első szakasz 0-0,8 V között. Az inverternek megfelelően a kimenet feszültsége az áramkör által szolgáltatható maximális érték, ábránkon 3,5 V. b A következő szakaszban 0,8 – 1,5 V-ig a görbe lineárisan csökkenti az értékét 3,5-ról 2,5 V-ra. c A komparálási szintnél 1,5 V-nál a görbe nagyon meredeken, 0,1 V bemeneti jelváltozás hatására lemegy 0,2 – 0,4V-ra és a bemenő feszültség további növelése mellett megtartja ezt az értékét. Az átviteli karakterisztika az egyes sorozatok tulajdonságainak megfelelően a vízszintes tengelyen eltolódik. A katalógusok megadják a jellemző Uk komparálási szintet. Az átviteli görbe bizonyos sávokban szórhat. Ezt mutatjuk be értékek nélkül a Dárf.56. ábrán. UCC

Ukim

Ubem

Ukim

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

UCC=5V Ta=25 C

0

0,5

1,0

1,5 Ubem

2,0

2,5

Dárf.55. ábra. Normál TTL sorozat bemenőjel kimenőjel szintjei közötti kapcsolat, az úgynevezett átviteli karakterisztika (Texas Intstruments alapján)

Dárf.1.2. 40/48


2004-02-20

Uki Tipikus WCII

WCI

Ube Dárf.56. ábra. Az átviteli karakterisztika szórása Dárf.1.1.11.2. Szint helyreállító tulajdonságú áramkör, a SCHMITT-TRIGGER: Az eddig bemutatott áramköröknél hallgatólagosan feltételeztük, hogy a bemeneteiken lévő vezérlőjelek, mindig teljesítik a helyes működés kívánalmait. Szintjük bent van a logikai értelmezési tartományban, és a két szint közötti jelváltozási sebességük meghaladja, az áramkör típusra legkisebbnek, megengedett értéket. A gyakorlatban ez nincs mindig így. Különböző okok, elsősorban a szerelési, és a bemeneti kapacitások, együttes hatásaként a jelmeredekség csökken és a mindig jelen lévő zaj hatására is, az azonos jelet különböző időpontban érzékelik az egyes áramkörök. Ez a zaj hibás működéshez is vezethet. A normál kapuknál és a szintregeneráló Schmitt-triggernél kialakuló működést a Dárf.58. ábrán mutatjuk be. A Schmitt-triggernél a szint helyreállításhoz úgynevezett hiszterézises átviteli karakterisztikát használunk. Ez azt jelenti, hogy az áramkör a jelváltások során az alacsonyból magasba átmenetnél egy magasabb szintű th+ szint — bemutató karakterisztikánkon ez 1,7 Vnál van — elérése után érzékeli azt magasnak, míg a magasból az alacsonyba átmenetnél egy th- szint — 1 V — alulhaladása esetén alacsonynak. Ellentétes irányba átlépve a komparálási szinteket – a normál kapuval szemben - nem történik a kimeneten jelváltás. A hiszterézises átviteli karakterisztikát a Dárf.57. ábrán mutatjuk meg. Ez a tulajdonság adja a zaj védettséget. A CMOS kapcsolással lehetséges egyik áramköri megvalósítást a Dárf.59. ábrán láthatjuk. Működése az egymásra és az egymás mellé épített tranzisztor együttesek eltérő érzékelési (komparálási) szintjén alapul. Az ÉS-NEM kapuban egymásra épített n csatornás tranzisztorokból, az ágban fentebb levőnek a talpponti feszültsége, a kinyitott tranzisztor(ok) maradékfeszültsége miatt magasabb, mint az egyedi tranzisztoré. Emiatt a magasabban lévő nagyobb feszültségnél nyit ki, mint a kapcsolásban alacsonyabban lévő. A bevezetőben elmondott, különböző időpontban történő érzékelési gondokat, részben ez a jelenség váltja ki. Megoldást jelent az alacsony magas, és a magas alacsony átmenet különböző szintnél történő érzékelése. Ehhez a különböző felépítésű kapuk eltérő feszültség szintnél történő érzékelését használjuk ki. Az inverternek kötött ÉS-NEM kapu, az egymásra ültetett tranzisztorok maradékfeszültségéből adódó eltolódás miatt magasabb feszültségszintnél érzékeli az alacsony-magas jelátmenetet, mint a szintén inverter-nek kötött VAGY-NEM kapu a magas alacsony átmenetet. Az érzékelők egy R − S tárolót vezérelnek. A jel alacsonyból magasba átmenete esetén az ÉS-NEM kapu érzékelve a magas szintet, bebillenti a tárolót. Ha a jel most csökken, de nem éri el az alacsony színt érzékelési küszöböt, a tároló továbbra is a magas szintnek megfelelő értéken áll. A magas színt akár újra is növekedhet. Amikor a jelváltozás

Dárf.1.2.

41/48

Kimeneti feszültség


[V] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 0,0

2004-02-20

[V] 0,5

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Bemeneti feszültség Dárf.57. ábra. Hiszterézises átviteli karakterisztika áthalad az alacsony színt érzékelésén, a tároló átbillen, és a kimenetén megjelenik, az alacsony bemeneti szintnek megfelelő, kimeneti érték. Az alacsony színt érzékelő kapuval sorba kötött inverter a helyes vezérlés kialakításához szükséges. A Schmitt-trigger kimenetéről a felhasználáshoz szükséges kimenetet vezetjük tovább. Határozott szintnél történő érzékelési tulajdonságai miatt a Schmitt-triggert nemcsak a jel regenerálására, használjuk ki, - e miatt sok nagy integráltságú IC bemenete is Schmitttriggeres kialakítású - hanem az időzítést előállító kapcsolások fontos alapeleme is.

Bemenõ jel

thk

th+ th-

a) Normál kapu

b) Schmitt-trigger

Dárf.58. ábra. Kimenetek viselkedése azonos bemeneti jelre normál és Schmitt-triggeres kapu esetén

Dárf.1.2. 42/48


Be

2004-02-20

Ki

Ki

Dárf.59. ábra. CMOS technológiával megvalósított Schmitt-trigger kapcsolása Dárf.1.1.11.3. Átviteli karakterisztika viselkedése CMOS áramkörök esetén: A CMOS áramkörök komparálási szintje a tápfeszültség felénél van. A korszerű CMOS kapuáramköröket már hiszterézises bemenetűre alakítják ki. A CMOS áramkörök a névleges feszültség mellett széles feszültség tartományban működőképesek. A tápfeszültség változásával természetesen az átviteli karakterisztika eltolódik. Ezt mutatjuk be egy gyors CMOS sorozatba tartozó 74AHC04 inverter esetére a Dárf.60. ábrán.

VO - kimeneti feszültség - V

5

VCC= 5V VCC= 4,5V

4

VCC= 3V

3 2

TA=25 C VCC VIHL VILH 5.0V 2.38V 2.49V 4.5V 2.13V 2.22V 3.0V 1.35V 1.42V

1 0 0

1 2 3 4 5 VI - bemeneti feszültség - V

Dárf.60. ábra. 74AHC04 CMOS inverter átviteli karakterisztikájának feszültség függése CMOS technológiával készülnek a régebbi bipoláris sorokkal összeférhető szinten működő logikák is. Itt eltérés csak a bemenő szint érzékelésében van. Viszont ezek az áramkörök csak 5 V + - 10% feszültség mellett biztosítják a megfelelő szintérzékelést. Dárf.61. ábra

Dárf.1.2.

43/48


VO - kimeneti feszültség - V

5

VCC= 5V VCC= 4,5V

4

2004-02-20

TA=25 C VCC VIHL VILH 5.0V 1.37V 1.55V 4.5V 1.28V 1.46V

3 2 1 0 0

0.5 1 1.5 2 2.5 VI - bemeneti feszültség - V

Dárf.61. ábra. 74AHCT04 átviteli karakterisztikájának feszültség függése A csökkentett tápfeszültségű logikáknál a magas szint értéke értelemszerűen kisebb. Mindaddig, míg a tápfeszültség a vele összekapcsolt nagyobb tápfeszültségű logika bemeneti magas szint követelményeit teljesíteni tudja, a két logika minden további nélkül összekapcsolható.

Dárf.2. Ellenőrző kérdések: 1. Milyen feltételek mellet lehet összekapcsolni az alábbi kimeneteket? - Totem-Pole, - Nyitott collektor, - Tri-state. Készítsen egy 3 x 3-as táblázatot, és azt töltse ki! Értelmes meghatározásokat használjon! 2. Rajzolja le a Bus-Hold áramkör felépítését! 3. Mire szolgál a Bus-Hold áramkör? Hol használják? Rajzolja le a felépítését! 4. Rajzolja le egy valós CMOS áramkör felépítésének a vázlatát! Példának 3 bemenetű, ÉS-NEM kaput használjon! 5. Rajzolja le a bemeneti védelem megoldásait TTL és CMOS családoknál! Mi ellen védenek?

Dárf.1.2. 44/48


2004-02-20

Dárf.3. Feladatok: Dárf.3.1. Relével, diódával megvalósított alapvető kapcsolások 1. Rajzolja le a kétbemenetű ÉS kapu relés megvalósítását! 2. Rajzolja le a kétbemenetű VAGY kapu relés megvalósítását! 3. Rajzolja le a hárombemenetű ÉS kapu diódás megvalósítását! 4. Rajzolja le a kétbemenetű ÉS-NEM kapu relés megvalósítását! 5. Rajzolja le a kétbemenetű VAGY-NEM kapu relés megvalósítását! 6. Rajzolja le a kétszer kétbemenetű ÉS-VAGY-NEM kapu diódával és relével megvalósított vegyes kapcsolását! Vigyázat! Ez egy fogós kérdés. 7. Rajzolja le a kétszer kétbemenetű VAGY-ÉS-NEM kapu diódával és relével megvalósított vegyes kapcsolását! 8. Rajzolja le a kétbemenetű VAGY-NEM kapu diódával és relével megvalósított vegyes kapcsolását! 9. Rajzolja le a kétbemenetű KIZÁRÓ VAGY kapu diódával és relével megvalósított vegyes kapcsolását! 10. Rajzolja le a kétbemenetű EKVIVALENCIA kapu diódával és relével megvalósított vegyes kapcsolását! Dárf.3.2. Kapuáramkörök belső felépítése 1. Rajzolja le egy 3 bemenetű TTL ÉS-NEM kapu áramköri kapcsolási rajzát! 2. Rajzolja le egy 3 bemenetű TTL VAGY-NEM kapu áramköri kapcsolási rajzát! 3. Rajzolja le a TTL Tri-state kapu áramköri kapcsolási rajzát! 4. Rajzolja le egy 3 bemenetű CMOS ÉS-NEM kapu áramköri kapcsolási rajzát! 5. Rajzolja le egy 3 bemenetű CMOS VAGY-NEM kapu áramköri kapcsolási rajzát! 6. Rajzolja le egy CMOS KIZÁRÓ VAGY kapu áramköri kapcsolási rajzát! 7. Rajzolja le egy CMOS EKVIVALENCIA kapu áramköri kapcsolási rajzát! 8. Rajzolja le egy CMOS Schmitt-trigger logikai kapcsolási rajzát! 9. Rajzolja le a kétszer 3 bemenetű VAGY-ÉS-NEM kapu megvalósítását CMOS áramköri család esetén! Az áramköri kapcsolási rajzát. 10.Rajzolja le a 3-szor 2 bemenetű ÉS-VAGY-NEM kapu megvalósítását a CMOS áramköri család esetén! Az áramköri kapcsolási rajzát.

Dárf.1.2.

45/48


2004-02-20

11. Rajzolja le a CMOS Tri-state kimenet kialakítását: - Az áramkör tokból való kimenetén. – Az áramkör belsejében használatos megoldást. 12. Rajzoljon le egy áteresztőkapukkal kialakított 4-ről az 1-re Multiplexert! 13. Rajzolja le egy CMOS technológiával megvalósított D tároló kapcsolását! 14. Rajzolja le egy CMOS technológiával megvalósított J-K tároló kapcsolását! 15. Miért használjuk a Schmitt-triggert? Ábrát is kérek! Dárf.3.3. Vegyes kérdések 1. Rajzolja le egy kapu jellegzetes átviteli karakterisztikáját! 2. Rajzolja le egy CMOS kapu átviteli karakterisztikájának a feszültség függését! 3. Rajzolja le egy kis feszültségű logika esetén használatos bemeneti védelem kialakítását! 4. Rajzolja le egy 4 bemenetű CMOS VAGY-NEM kapu teljes kapcsolási felépítését! 5. Rajzolja le a Bus-Hold áramkör felépítését! Mire is szolgál? 6. Rajzolja le egy telítéskorlátozott bipoláris tranzisztor felépítését! 7. Rajzolja le egy valós kapcsoló helyettesítő kapcsolását!

Dárf.4. Felhasznált irodalom: 1. Dr. Gál Tibor: Digitális rendszerek I.-II. 2. Változatlan kiadás BME Villamosmérnöki kari jegyzet Tankönyvkiadó Budapest 1991 2. Mikroelektronikai berendezés-orientált áramkörök tervezése Szerkesztette: Dr. Tarnay Kálmán Budapest 1984 3. High-Speed CMOS Logic Data Book Texas Instruments 1987 4. The TTL Data Book Supplement to CC-401 Texas Instruments 1973 5. Low-Voltage Logic LVT, LVC, ALVC and LV Families Data Book Texas Instruments 1994 6. AHC/AHCT, HC/HCT, and LV CMOS Logic Performance Budgeting for 5-V and 3.3-V systems Data Book Texas Instruments 1996 7. LVC Designers Guide Application Report Texas Instruments 1997 8. Digital Design Seminar Texas Instruments 1998 9. Design Considerations for Logic Products Application Book Volume 2 Texas Instruments September1999 cc 1-71

Dárf.1.2. 46/48


2004-02-20

Dárf.5. Jegyzetek:

Dárf.1.2.

47/48


Dárf.6. Újdonságok:

Dárf.1.2. 48/48

2004-02-20

Dárf.1. Digitális áramkörök fizikai felépítése

Recommend Documents