2017.04.21.
ELŐÍRT TANKÖNYV-IRODALOM
DIGITÁLIS TECHNIKA Dr. Lovassy Rita Dr. Pődör Bálint
Sorrendi hálózatok, flip-flopok, regiszterek, számlálók, stb. Arató: Logikai rendszerek ..., 158-189.old.
Óbudai Egyetem KVK Mikroelektronikai és Technológia Intézet
Zsom: Digitális technika I, 318-345 old.
4. ELŐADÁS
Rőmer: Digitális rendszerek ..., 98-116 old. Rőmer: Digitális ... példatár, 30-36 old.
1
2
ELEMI SZINKRON TÁROLÓELEM (FLIP-FLOP) MŰKÖDÉSE
ELEMI SORRENDI HÁLÓZATOK Kombinációs hálózatok: elemi kombinációs hálózatokból azaz kapukból építhetők fel.
A logikai vezérlés hatása mindaddig nem érvényesül a kimeneten, amíg az órajel el nem indítja a flip-flop belső állapotváltozásait.
Sorrendi (szinkron és aszinkron) hálózatok: szintén felépíthetők elemi sorrendi hálózatokból (is). Elemi sorrendi hálózatok: önmagukban igen egyszerű logikai feladatok megoldására képesek csak, egy szekunder változójuk van. Tehát csak két állapotuk van, bemeneteik száma egy vagy kettő. Nevük billenőkör, bistabil multivibrátor, tároló, vagy flip-flop.
Ezen tranziens folyamat ideje alatt nem szabad a hálózat logikai vezérlését változtatni. Az órajel periódusideje hosszabb legyen mint a leghosszabb tranziens ideje.
3
FLIP-FLOPOK (TÁROLÓK)
FLIP-FLOPOK (TÁROLÓK) MŰKÖDÉSE
Kétállapotú billenő elemek, flip-flop-ok (bistabil multivibrátor, billenőkör). Leggyakrabban használt flip-flopok (logikai működés szerint): S-R (vagy R-S) flip-flop J-K flip-flop T flip-flop D flip-flop
4
set-reset
- Az aszinkron működésű tárolók állapotváltozása a bemenetre adott vezérlőjel hatására közvetlenül jön létre a késleltetési idő elteltével. - A szinkron (órajellel vezérelt) flip-flopok állapotváltozása csak akkor jön létre, ha a szinkronizáló (óra, CLOCK) bemenetükre megérkezik az órajel.
toggle delay, data
Mindegyik szinkron módon működik, de az S-R flip-flop működhet aszinkron módon is. 5
6
1
2017.04.21.
TÁROLÓK ÉS FLIP-FLOPOK: JELÖLÉSEK
FLIP-FLOPOK: STATIKUS ÉS DINAMIKUS VEZÉRLÉS
Q
D CK
A FF-ok vezérlése kétféle lehet: statikus vagy dinamikus.
CK
- A statikus vezérlő bemenetekre a vezérlési táblázat szerint logikai 0 vagy logikai 1 egyenszinteket kell adni az állapotváltozás létrehozására.
Q
D
D
>CK
(b)
Q
>CK
(c)
(d)
Amplitude
(a) CK: órajel
Q
D
Time
- Dinamikus vezérlés: a FF billenése a dinamikus vezérlő bementre adott jel meghatározott irányú változásának hatására jön létre (“élre” billenő, edge-triggered).
Cycle time = 25 ns
7
(a) CK=1, (b) CK=0 szint esetén írja be D-t, (c) CK emelkedő, (d) CK lefelé menő élénél. Sokszor S (set, PR preset), R (reset,CLR clear) be- és Q# kimenet is van.
8
SET-RESET (S-R) FLIP-FLOP (1)
S-R FLIP-FLOP: BEVEZETÉS Az S-R (set-reset) flip-flop a digitális rendszerekben használt egyik legegyszerűbb tároló, amely egy kombinációs hálózat direkt visszacsatolásával, azaz aszinkron sorrendi hálózattal valósítható meg.
Egyszerű igazságtábla S R Qn+1 —————— 0 0 Qn 0 1 0 1 0 1 1 1 X
- Két bemenet: set, reset és két kimenet - Visszacsatolt kapcsolás - Három megengedett és egy tiltott állapot - A megengedett állapotok stabilak - A tiltott állapot instabil lehet
9
S-R FLIP-FLOP S = R = 1 ESET
SET beírás, RESET törlés, függetlenül attól, mi volt az előző állapota. Definiált működés: S = 1 a FF állapotát 1-re állítja be, a vezérlés megszűnése után is 1-ben marad R = 1 a FF állapotát 0-ra állítja be, és 0ban is marad Ha egyidejűleg S és R értéke 0 akkor az állapot nem változik (billenés nem történik), a flip-flop az előző állapotát tárolja, (állapotmegőrzés).
Ha S és R egyidejűleg 1 akkor a FF működése definiálatlan, tehát ez a vezérlési mód logikailag tiltott.
10
S-R FLIP-FLOP (2) Összetett igazságtábla
S = R = 1 esetén nincs definiálva a kimenet, ezért ez a bemeneti kombináció nem megengedett. Ennek ellenére egy adott implementáció nyilván jól definiált értéket produkál a kimeneteken. Pl. a NOR alapú megoldás mindkét kimeneten 0-át a NAND alapú megoldás 1-t azonban mindkét esetben a két kimenet nem lesz egymás komplemense, mindkettő 1 illetve 0 lesz.
11
S R Qn Qn+1 —————————— 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 tiltott 1 1 1 tiltott 12
2
2017.04.21.
J-K FLIP-FLOP (1)
J-K FLIP-FLOP (2)
- Bizonyos szempontból az RS FF tovább bővített változata.
S
J
R
K
Definiált működés: J K Qn+1 —————— 0 0 Qn 0 1 0 1 0 1 _ 1 1 Qn
- Vezérlési funkciót rendel az RS FF tiltott vezérlési kombinációjához is. - Megfeleltetés:
Egyszerű igazságtábla
J = 1 a FF állapotát 1-re állítja be, K = 1 a FF állapotát 0-ra állítja be, Ha J és K értéke egyidejűleg 0 akkor az állapot nem változik.
Ha J és K egyidejűleg 1 akkor megcseréli (komplementálja) a FF megelőző tartalmát. 13
J-K FLIP-FLOP (3)
14
J-K FLIP-FLOP: IDŐDIAGRAM
Összetett igazságtábla J K Qn Qn+1 —————————— 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
állapotmegőrzés állapotmegőrzés nullázás nullázás beírás beírás komplementálás komplementálás 15
T (TOGGLE) FLIP-FLOP T A T (TOGGLE, ~ kb. ide-oda billen) flip-flop egyetlen vezérlő bemenettel rendelkező tároló elem. A T bemenetre jutó aktív vezérlés a tároló állapotát az ellenkezőjére változtatja. A J-K FF-ból származtatható, ha a J és K bemeneteket összekötve képzeljük.
16
A D FLIP-FLOP (1) J y
Z
K
T Qn Qn+1 ———————— 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
A D (DELAY) flip-flop Q kimenetének állapota az (n+1)-ik ütemben az lesz, ami a D előkészítő bemenet állapota volt az n-edik ütemben: Qn+1 = Dn
17
18
3
2017.04.21.
A D FLIP-FLOP (3)
A D FLIP-FLOP (2)
- flip-flopot valamilyen értéket megtartó regiszter (latch) felépítésére használják.
Igazságtábla és karakterisztikus egyenlet n-edik
(n+1)-edik ütem
Qn+1 = D
D Qn Qn+1 ———————— 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1
- Pl. egy digitális mérőműszer egy kijelzésének megtartására mindaddig, amíg a műszer egy újabb mérést nem produkál.
Az (n+1)-edik ütemben felvett állapot független attól, hogy mi volt a FF állapota az n-edik ütemben. A FF nem emlékszik az előző állapotára!
19
20
2 független D flip-flop: MSI Vcc 14
13
12
D
FLIP-FLOPOK A GYAKORLATBAN
11
10
CLR Q
D
>CK #Q
2
3
8
CLR Q
>CK #Q
PR
1
9
PR
4
5
6
7
GND 21
Közös CK-val vezérelt 8 bites D flip-flop: regiszter Vcc
20
19
18
17
16
15
14
13
12
D Q
D Q
D Q
D Q
>CK
>CK
>CK
>CK
CLR
CLR
CLR
CLR
22
FÉLVEZETŐS REGISZTEREK: BEVEZETÉS
11
• Funkciójuk több bitnyi, rövid ideig rendelkezésre álló információ tárolása egy meghatározott ideig (tároló regiszterek). • A flip-flopok 1 bit információ tárolására alkalmasak, tehát egy n bit információ tárolásra alkalmas regiszter n db flip-flopból áll.
1
CLR >CK
CLR
CLR
CLR
>CK
>CK
>CK
D Q
D Q
D Q
D Q
2
3
4
5
6
7
8
• Az információt csak folyamatos, megadott tűréshatáron belüli tápfeszültség érték mellett tudják megőrizni. 9
10 23
24
GND
4
2017.04.21.
BEÍRÁS ÉS KIOLVASÁS MÓDJAI (1) • A regiszterek olyan szekvenciális hálózatok,amelyekbe az adatokaz órajel segítségével sorosan és/vagy párhuzamosan beírhatók. • •Az adatokkal relatív helyváltoztatást tudnak elvégezni (shift-léptetés), és az adatok belőlük sorosan és/ vagy párhuzamosan kiolvashatók. • •A regiszterrel elvégzendő műveletet pl.: beírás, léptetés, rotálás, stb. • •A regiszterek megvalósításához általában átlátszó, vagy élvezérlésű D vagy J-K tárolókat használnak.
párhuzamos beírás és kiolvasás
soros-párhuzamos bemenet, soros kimenet
Soros bemenet illetve kimenet: az információ hely-értékről helyértékre továbbítódik, így a szomszédos helyértékek között áramköri kapcsolat van. 26
BEÍRÁS ÉS KIOLVASÁS MÓDJAI (2)
REGISZTEREK FAJTÁI Felhasználás és felépítés szerint két csoport:
soros beírás, párhuzamos kiolvasás
- tároló regiszterek; - léptető regiszterek (shift register).
soros bemenet és kimenet
soros-párhuzamos bemenet és soros-párhuzamos kimenet
A beírandó, illetve a kiolvasandó információt kapuzni is lehet: 27 kapuzott be-, illetve kimenetű regiszter.
TÁROLÓ REGISZTEREK ALKALMAZÁSA
TÁROLÓ REGISZTEREK
D1
Q1
D2
Q2
D3 D4
Q3 Q4
CLR CLK
28
• Feladatuk adott, rövid ideig meglévő több bites információ tárolása. Az információ bitjei a kimeneten egyenként, közvetlenül és folyamatosan hozzáférhetők. • Félvezetős integrált (MSI) regiszterek az információt csak folyamatos, megadott tűréshatáron belüli tápfeszültségérték mellett tudják megőrizni.
Két szám soros összeadása.
B m CLR Cp B
n 29
A
n Cp A
Σ (bin)
1. B regiszter nullázása (CLR B); 2. A regiszter feltöltése az első összeadandóval m (Cp A); 3. Az eredmény betöltése Összeg a B regiszterbe (Cp B); 4. A regiszter feltöltése a következő összeTúlcsor- adandóval (Cp A); 5. A 3. és 4. pont dulás ismétlése, amíg van összeadandó. 30
5
2017.04.21.
TÁROLÓ REGISZTEREK: FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEK • A léptetőregiszter flip-flopok olyan lánca, amely lehetővé teszi, hogy a bemenetére adott információ minden egyes órajel hatására egy flip-floppal tovább lépjen. A bemeneti jel késleltetve, de változatlanul jelenik meg a kimeneten.
• aritmetikai egységekben, számlánc és kijelző között; • kód és jelkonverziós műveleteknél; • μP-os áramkörök input/output tárolóiként; • aritmetikai/logikai egységek (ALU) közbenső tárolóiként; • egyéb tárolást igénylő helyeken.
• A léptetőregiszterek esetén a soros és párhuzamos beírás és kiolvasás, valamint a kétféle léptetési irány miatt sokféle típus állítható elő.
31
LÉPTETŐ REGISZTER (D-FF) ALKALMAZHATÓ TÁROLÓK A léptetőregiszterekben az ún. közbenső tárolású típusú flipflopok (pl. master-slave) alkalmasak. Az ún. átlátszó tárolótípus erre a célra nem felel meg, mert a bemenetre adott információ azonnal végigfutna az egész regiszteren már az első órajel hatására. A megfelelő működés érdekében (minden léptetési parancsra egy és csakis egy léptetés) feltétlenül órajelvezérelt flip-flopokat kell alkalmazni.
33
34
JOBBRA LÉPTETŐ REGISZTER J-K FLIP-FLOPOKBÓL A
B
C
SHIFTREGISZTER MINT SZÁMLÁLÓ Léptető regiszterből sokféle módon lehet számlálót kialakítani.
D
DATA IN JA
Q
CP KA
JA
Q
CP _ Q
KA
JA
Q
CP _ Q
KA
JA
Q
• Gyűrűs számláló • Johnson számláló • Álvéletlenszám generátor
CP _ Q
KA
_ Q
Közös alapelv: a léptető regiszter kimeneteit egy kombinációs hálózaton keresztül visszavezetik a soros bemenetre.
CLK CLR 35
36
6
2017.04.21.
SZÁMLÁLÓK TULAJDONSÁGAI
ASZINKRON ÉS SZINKRON SZÁMLÁLÓK Csoportosítás működés
Számlálási irány:
⊙ - ból:
• előre vagy felfele számláló (up counter): minden bemenő impulzus eggyel növeli a tárolt értéket;
• Aszinkron számláló:
• hátra vagy lefele számláló (down counter): minden bemenő impulzus eggyel csökkenti a tárolt értéket;
A számlálandó jel csak elindítja a soron következő állapotváltozást. Az egyes flip-flopok egymást vezérlik, billentik. Az óra-impulzusok sorosan terjednek.
• kétirányú (fel-le vagy reverzibilis) számláló (up-down counter): a beérkező impulzusokat a vezérléstől függően előre vagy visszafelé számolja.
• Szinkron számláló: Az egyes flip-flopok egymást kapuzzák, a számlálandó impulzusok párhuzamosan a közös szinkronbementre jutnak. Az órajel a kapuzástól független. 37
38
SZÁMLÁLÓK FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEI
GYŰRŰS REGISZTER (1)
• számlálás;
adat
X3
X2
X1
X0
• frekvenciaosztás;
léptetés • sorrendi áramkörök vezérlése; A gyűrűs regiszter jellemzője a visszacsatolás, utolsó bit kimenete az első bit bemenetére van kötve. Az egyszer beleírt értékét minden órajelnél a következő bit helyre lépteti. A recirkulációs (gyűrűs) regiszterben az órajel cirkulációban tartja a bináris információt, melyet párhuzamosan lehet beírni. Nevezik gyűrűs számlálónak is.
• matematikai műveletvégzés stb.
39
GYŰRŰS SZÁMLÁLÓ
Sok fontos áramkör vezérlőjeként nyer felhasználást.
40
GYŰRŰS SZÁMLÁLÓ
A gyűrűs számlálónál a visszacsatoló kombinációs hálózat egy darab drót.
Ilyen jelsorozatokkal pl. vezérlési feladatok oldhatók meg. Hasonló kimeneti sorozatot pl. egy számlálóval címzett dekóderrel is elő lehet állítani, azonban ennek hátránya, hogy a dekóder bementén egynél nagyobb Hamming távolságúak is lehetnek ez egymást követő címek így ezeknél az átmeneteknél funkcionális hazárd léphet fel (tranziensnyi időre olyan kimenet is aktivizálódhat, amelynek nem kellene).
Kódolás: Qa
Qb
Qc
Qd
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1 41
42
7
2017.04.21.
JOHNSON (MÖBIUS) SZÁMLÁLÓ
JOHNSON (MÖBIUS) SZÁMLÁLÓ
A visszacsatoló hálózat egyetlen inverter. Így 0 kezdeti érték mellet a számláló először feltölti magát egyesekkel, majd nullákkal. Kódolás:
Állapot dekódolás: két-bementű ÉS kapu és inverterek. __ __ Pl. 0000 (0) Qa Qd __ 1000 (1) QaQb stb. Az így előállított kimenet nem lesz hazárdos, mivel az egymást követő kódok szomszédosak.
Qa, Qb, Qc, Qd: 0000, 1000, 1100, 1110, 1111, 0111, 0011, 0001
43
GYŰRŰS REGISZTER (2)
44
MODULÓ SZÁMLÁLÓ
&
• Bizonyos alkalmazásokban (álvéletlen generátor, hibafelismerő kódolás) használatos a léptető regiszterből a KIZÁRÓ-VAGY visszacsatolással létrehozott Moduló számláló.
A 8 bites gyűrűs regiszter az adott visszacsatolással 12 állapotú. 000...0 állapotból indulva a 4. majd a 16.. stb. órajelre a regiszter állapota 11110000.
45
ÁLVÉLETLENSZÁM GENERÁTOR • Egy n bites léptető regiszterből a maximális (2n-1) hosszúságú moduló számláló nem mindig a soros bemenettől legtávolabbi két bit KIZÁRÓ-VAGY kapcsolatából áll elő. Vannak ettől eltérő esetek is, amikor két közbenső bit visszacsatolása adja a
=1
A 0
B 0
C 0
D 1
legnagyobb hosszt.
Szekvencia: (1) 0001, (8) 1000, (4) 0100, (2) 0010, (9) 1001, (12) 1100, (6) 0110, (11) 1011, (5) 0101, (10) 1010, (13) 1101, (14) 1110, (15) 1111, (7) 0111, (3) 0011.
8
2017.04.21.
ÁLVÉLETLENSZÁM GENERÁTOR A kódszavak sorrendje véletlenszerű. Fokozatok száma 3 4 5 6 7
Állapotok száma 3 15 31 63 127
Visszacsatolás helye 3, 2 4, 3 5, 3 6, 5 7, 6
(ld. Benesóczky Z., Digitális tervezés funkcionális elemekkel ...) LFSR - Linear Feedback Shift Register http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_feedback_shift_register
49
MULTIVIBRÁTOR Az astabil multivibrátor egyetlen stabil állapottal sem rendelkezik. A kimenetén folyamatosan négyszögjelet állít elő.
A bistabil multivibrátornak (Flip-Flop) két stabil állapota van. A kimenet állapota csak akkor változik meg, ha a folyamatot
egy bemenő jel aktiválja, aminek hatására átbillen egy másik stabil állapotába
A 16-bit Fibonacci LFSR http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_feedback_shift_register
51
A monostabil multivibrátor egy indító jel hatására a kimenetén egy négyszögimpulzust állít elő.
52
ASZINKRON BINÁRIS FELFELE SZÁMLÁLÓ JK FF
555 TIMER IC
20
21
22
23
A FF-ok T mód szerint vezérelve
53
http://www.indiabix.com/electronics-circuits/4-bit-ripple-counter/
54
9
2017.04.21.
ASZINKRON BINÁRIS LEFELE SZÁMLÁLÓ JK FF 20
21
22
ASZINKRON SZÁMLÁLÓ: MAXIMÁLIS FREKVENCIA tpd tdek n
23
- terjedési késleltetés (propagation delay), - dekódolási idő, - fokozatok száma 1 fmax = ————— n tpd + tdek
Az aszinkron számlálók, több fokozat esetén, lényegesen lassabbak mint a szinkron számlálók.
55
56
REVERZIBILIS (KÉTIRÁNYÚ) SZÁMLÁLÓK
REVERZIBILIS BINÁRIS SZÁMLÁLÓ JK FLIP-FLOPOKKAL A fokozatok közötti vezérlés sémája
• Külső vezérlőjel hatására előre is, hátra is tud számlálni. • A reverzibilis számlálóval két soros kódú szám összegét és különbségét lehet képezni, tehát mint soros üzemű kivonó áramkör működik.
Clock
J
Q
CLK _ K Q
• Alkalmazás pl.: előre beírt számkód, számlálás, a nulla állapot jelez, vagy elindít vagy leállít valamely folyamatot (vezérlési jel).
Up/down
J
& 1 &
• 1
Q
CLK _ K Q
Az AND-OR hálózat NAND-NAND hálózattal is realizálható.
57
SZINKRON SZÁMLÁLÓK TERVEZÉSE
58
FLIP-FLOPOK VEZÉRLÉSI TÁBLÁZATA
A szinkron számlálók tervezése a next-state módszer alapján történhet. A tervezés menete: 1. Állapotkódolás megválasztása illetve megadása. 2. Állapotgráf és állapotátmeneti táblázat (minden egyes ütemben a flip-flopok n+1 ütembeli állapotai a flip-flopok n ütembeli állapotai és a vezérlés (fel/le) függvényében) megszerkesztése. 3. Megvalósitó flip-flop típusának kiválasztása v. megadása, és a flip-flop vezérlési táblázatának felírása. 4. Az egyes flip-flopok vezérlőbemenetei logikai függvényeinek meghatározása és minimalizálás. 5. A visszacsatoló kombinációs hálózat realizálása. 59
Qn Qn+1 S R J K D ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 0 0 0 x 0 x 0 0 1 1 0 1 x 1 1 0 0 1 x 1 0 1 1 x 0 x 0 1
T 0 1 1 0
60
10
2017.04.21.
3 BITES SZINKRON BINÁRIS ELŐRESZÁMLÁLÓ TERVEZÉSE
KÓDOLT ÁLLAPOTTÁBLÁZAT Qn 0 0 1 1
• A számlálót alakítsuk ki T típusú master-slave flip-flop – al. Ekkor az egyes tárolók T bemeneteire kell csatlakoztatni az állapotvezérlő jeleket. • Ekkor az állapotváltozók kódolását abból a feltételből írjuk fel, hogy 1 szint engedélyezi a flip-flop billentését,
Qn+1 0 1 0 1
T 0 1 1 0
0 szint pedig nem. Átvitel (carry): akkor jelenik meg az 1-es szint, ha a számláló a legnagyobb tárolható számot tartalmazza (1111). Ezzel a jellel további fokozatok működtethetők.
Számláló szimbolikus jele
A számláló kapacitását további flip-flop -okkal növelni lehet. az i. flip-flop vezérlőfüggvényének általános alakja: Ti = Q0Q1 Q2. . . Qi-1
Ti = Q0Q1 Q2. . . Qi-1
két bemenetű ÉS kapuk állítják elő a vezérlőjeleket
• A függvény alapján megállapíthatjuk, hogy a kapacitásbővítéshez - az újabb flip-flop mellett - mindig 1-gyel több bemenetű ÉS kapu kell. • Ezt a megoldást nevezzük párhuzamos átvitelűnek.
Ezt az áramköri megoldást nevezzük soros átvitelűnek.
11
2017.04.21.
SZINKRON SZÁMLÁLÓ: MAXIMÁLIS FREKVENCIA tpd tdek tk
SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS A ripple counter (aszinkron) requires less circuitry than a synchronous counter. No logic gates are used at all in the example above. Although the asynchronous counter is easier to construct, it has some major disadvantages over the synchronous counter.
- terjedési késleltetés (propagation delay), - dekódolási idő, - ÉS kapu késleltetése 1 fmax = ————— tpd + tk + tdek
First of all, the asynchronous counter is slow. In a synchronous counter, all the flip-flops will change states simultaneously while for an asynchronous counter, the propagation delays of the flip-flops add together to produce the overall delay.
A szinkron számlálok, több fokozat esetén, lényegesen gyorsabbak mint az aszinkron számlálók.
67
SZINKRON ÉS ASZINKRON: ÖSSZEHASONLÍTÁS
68
MSI SN 74163 SZINKRON 4 BITES SZÁMLÁLÓ
Secondly, there are certain "risks" when using an asynchronous counter. In a complex system, many state changes occur on each clock edge and some ICs respond faster than others. If an external event is allowed to affect a system whenever it occurs (unsynchronised), there is a small chance that it will occur near a clock transition, after some IC's have responded, but before others have. This intermingling of transitions often causes erroneous operations. And the worse this is that these problems are difficult to foresee and test for because of the random time difference between the events.
-Párhuzamos adatbemenet -Párhuzamos adatkimenet -Soros átvitel kimenet -A carry kimeneten, RCO, megjelenő jelek az átviteli értékek (segítségével lehet egy másik számlálót az IChez kapcsolni, kaszkádosítani). - Ha az engedélyezés, a ENP és ENT bemenetek (számlálást vezérlik) 1-es szinten vannak, a számláló leszámolja a CLK bemenetre érkező jeleket. - A párhuzamos beírás engedélyezését a LOAD bemenet végzi.
69
DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK: AZ INVERTER
LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK I
• Konstrukciós szempontból egy áramkörcsalád leglényegesebb eleme az inverter • Az inverter határozza meg az áramkörök alaptulajdonságait: jelszintek, zavarvédelem, terjedési, késleltetési idő, teljesítményfelvétel
Inverter és tulajdonságai
71
• a bonyolultabb logikai elemek az inverterből származtathatók, pl. NOR, NAND kapuk: inverter kiegészítése SR flip-flop: két NOR kapu, stb.
72
12
2017.04.21.
INVERTER FUNKCIÓI
IDEÁLIS KAPCSOLÓ R
• Jelregenerálás - transzfer karakterisztika aktív szakasza, erősítés
UT
Kapcsoló feladata: az áramkör zárásával az UT tápfeszültséget az R terhelő 1 0 ellenállásra kapcsolja, illetve kikapcsoláskor az áramkört U megszakítja.
I
• Zavarvédelem - transzfer karakterisztika kis meredekségű szakasza
U=0 U = UT
Ideális kapcsoló: • érzéketlen a polaritásra • kapcsolási idő végtelenül rövid • nincs rajta teljesítményveszteség
73
74
FÉLVEZETŐ DIÓDA (PN-ÁTMENET) MINT KAPCSOLÓ
VALÓSÁGOS KAPCSOLÓ JELLEMZŐI
U
• zárt állapotban maradékfeszültség
U
I = I0 (e UT -1) = I 0 e UT - I 0
• nyitott állapotban maradékáram UT - termikus feszültség (kT/q), szobahőmérséklet környezetében kb. 26 mV
• teljesítményveszteség mind nyitott, mind zárt állapotban • átkapcsolás véges idő alatt megy végbe
A félvezető dióda nem ideális kapcsoló! Vezérlés - a rákapcsolt feszültség előjelével ! 75
DIÓDA MINT KAPCSOLÓ I Záróirány: kikapcsolt
DIÓDA: KAPCSOLÁSI IDŐ
Nyitóirány: bekapcsolt
U “Uny”
76
Átkapcsolási folyamat: töltésváltozások ! Kikapcsolt állapot: feszültségtől széles határok között független maradékáram, mai diódáknál gyakorlatilag elhanyagolható
Bekapcsolt állapot: Az átfolyó áramtól kevéssé függő, néhány tized volt ún. “nyitófeszültség” marad a diódán. Uny - Si diódán 0,6-0,7 V, GaAs diódán 1,2-1,4 V. Si Schottky diódán pedig kb. 0,4 V.
77
Korlátozó tényező: tárolt töltés (kisebbségi töltéshordozók) illetve a diffúziós kapacitás. A nyitóirányból a záróirányba való átkapcsolás addig nem megy végbe míg a tárolt töltés el nem tűnik (tárolási időállandó, storage time).
78
13
2017.04.21.
DIÓDÁS LOGIKAI ÁRAMKÖRÖK
DIÓDÁK KAPCSOLÓÜZEMBEN
ÉS illetve VAGY funkció valósítható meg megfelelően kötött diódákkal. Diódás ÉS kapu: pozitív logikában a kimenetén mindig a legnegatívabb feszültség jelenik meg. A kimenet csak akkor 1, ha az összes bemenet 1. Diódás VAGY kapu: pozitív szintű logikában a kimenetén mindig a legpozitívabb feszültség jelenik meg. A kimenet 1, ha legalább az egyik bemenet 1.
Ha valamelyik bemeneten 0 V van, a hozzá tartozó dióda lezár, ez a bemenet leválasztódik, nem zavarja a kimeneti logikai 1 feszültség kialakulását.
Ha VAGY az A, VAGY a B bemenetre pozitív feszültséget adunk, akkor az illető bemenethez tartozó dióda kinyit, mivel az anódja pozitív feszültséget kap. A nyitott dióda katódja néhány tized V-tal, a nyitófeszültséggel negatívabb anódjánál, vagyis a kimenet feszültsége is pozitív, logikai 1 szintű. 79
DIÓDÁK KAPCSOLÓÜZEMBEN
Az R ellenállás a kimenet feszültségét pozitív feszültségre igyekszik felhúzni. Ha azonban akár egyetlen bemenetet is összekötünk a 0 V-os vezetékkel, akkor az ehhez a bemenethez tartozó dióda kinyit és a kimenetet kis pozitív, gyakorlatilag zérus potenciál, vagyis logikai 0 jelenik meg.
14
