Logikai áramkörök
Feszültségszintek A logikai rendszerekben az állapotokat „0” ill. „1” vagy „H” ill. „L” jelzéssel jelöljük, amelyek konkrét feszültségszinteket jelentenek. A logikai algebrában a változókat nagy betűkkel jelöljük és két lehetséges állapotuk van: a) Ha egy esemény bekövetkezik akkor az értéke „1” b) Ha nem következik be akkor az értéke „0”
Feszültségszintek A logikai változók „0” és „1” értékének két különböző feszültségszint felel meg a digitális áramkörökben. Ezek a feszültségszintek csak bizonyos szórással tarthatók be, ezért inkább feszültség – tartományról beszélünk. A két feszültség – tartomány közötti rész tiltott sáv, hiszen ezek a feszültség értékek logikailag nem értelmezettek.
Feszültségszintek A pozitív feszültségű rendszer esetén mind a H, mind az L logikai szintekhez pozitív feszültségtartományt rendelünk. A negatív feszültségű rendszer esetén mind a H, mind az L logikai szintekhez negatív feszültségtartományt rendelünk. Pozitív logikáról beszélünk, ha a logikai 1 értékhez tartozó feszültségszint pozitívabb a logikai 0 értékhez tartozó feszültségszintnél. Negatív logikáról beszélünk, ha a logikai 1 értékhez tartozó feszültségszint negatívabb a logikai 0 értékhez tartozó feszültségszintnél.
Logikai áramkörök jellemző adatai Tápfeszültség: UT , amely az áramkör működéséhez szükséges ± ∆U eltéréssel. Logikai szintek: (lásd előbb) Zajtartalék (noise margin): az a feszültség – tartomány amelyen belüli változás hibás működést nem okoz, garantált értéke 0,4 V. Bemeneti terhelhetőség (Fan In) : az a max. áramérték amely átfolyhat az áramkör bemenetén „0” ill. „1” állapotban. Tipikus értékei: Ibe1max = 40 µA, Ibe0max = 1,6 mA, ezeket egységterhelésnek nevezzük. Kimeneti terhelhetőség (Fan Out): azon egységterhelések száma amit egy kimenet károsodás nélkül el tud látni árammal. Ez általában 10 db bemenet vagyis Iki1max = 400 µA, Iki0max = 16 mA!
Logikai áramkörök jellemző adatai Teljesítményfelvétel: a logikai áramkörök teljesítményfelvételét kétféle módon adják meg: a) b)
különböző logikai szintekhez tartozó áramigényként 50 % -os kitöltésű négyszögjellel történő vezérlés hatására disszipált teljesítményként
Jelkésleltetési idő: az az idő, amely a bemenetre adott jel hatására a kimeneti jel megjelenéséig eltelik.
Átlagos jelkésleltetési idő
t pd =
t pHL + t pLH 2
Diódás kapuáramkörök ÉS
VAGY
Inverterek Egyszerű inverter FE alapkapcsolásban (szabad szintű)
Megfogott szintű inverter
Ellenállás – tranzisztor logika (RTL) RTL NOR kapu felépítése
Ha bármelyik tranzisztor bázisára pozitív feszültség érkezik (logikai „1”) akkor az kinyit és a kimenetet közel 0 voltra kapcsolja (logikai „0”). Így kialakul a NOR függvény.
Dióda – tranzisztor logika (DTL) DTL NAND kapu felépítése
Bármelyik bemenetre logikai „0” jel érkezik akkor a hozzá kapcsolódó dióda kinyit, így a P pontot kb. 0,7 V-ra kapcsolja, így a T1 tranzisztor zárva marad és a kollektora közel + UT - re kapcsolódik (logikai „1” a kimeneten). Így kialakul a NAND függvény.
Tranzisztor – tranzisztor logika (TTL) A TTL a legelterjedtebb bipoláris integrált logikai áramkörcsalád, amelyet leginkább kis és közepes bonyolultságú integrált áramkörök formájában gyártanak. (SSI, MSI) A szabványos TTL áramkörcsaládot a következő típusokban gyártják: • H (High speed – Nagy sebességű TTL), • S (Schottky-diódás TTL) • L (Low power – Alacsony fogyasztású TTL), • LS (Low power Schottky – Alacsony fogyasztású Schottky-diódás
TTL).
TTL NAND kapu
TTL NOR kapu
H-TTL NAND kapu (nagy sebességű)
Schottky – diódás TTL A Schottky-diódás TTL áramkörök kapcsolása megegyezik a nagy sebességű TTL áramkörökével, de telítetlen tranzisztorokat használnak a működés során. A telítés elkerülésére Schottkydiódákat használnak. Minden egyes tranzisztor bázis – kollektor átmenetével párhuzamosan kapcsolnak egy Schottky – diódát ami nem engedi a tranzisztort telítésbe vezérlődni és ezzel a kapcsolási idő jelentősen lecsökken.
TTL áramkörök kimenetei A TTL logikai áramkörök háromféle kimenettel rendelkezhetnek: Totem – pole (ellenütemű) kimenet Open – collector output (nyitott kollektoros) kimenet Tri – state (3 állapotú) kimenet
„Open – collector” NAND kapu Huzalozott VAGY kapcsolat
Huzalozott ÉS kapcsolat
Háromállapotú (tri-state) inverter
Emitter csatolt logika (ECL) Egy logikai áramkör terjedési-késleltetési ideje jelentősen lecsökkenthető, ha a tranzisztorok telítéses üzemmódját kiküszöböljük. A Schottky-diódás TTL áramkörökön kívül az ECL (Emitter-Coupled Logic: Emittercsatolású logika) áramköröknél sem kerülnek a tranzisztorok telített állapotba.
Közvetlen csatolású tranzisztor logika (DCTL) DCTL NOR kapcsolat
Mindhárom tranzisztor kollektora, illetve emittere össze van egymással kapcsolva. Így bármelyik bemenetre érkezik logikai 1 jel, a tranzisztora nyitott állapotba kerül, és a kimeneten (közös kollektor) logikai 0 szint jelenik meg. Ha mindegyik bemeneti jel logikai 0 szintű, akkor lehet csak a kimeneten logikai 1 szint, vagyis NOR kapu.
Integrált injekciós logika (IIL v. I2L) A közvetlen csatolású tranzisztor logikából fejlesztették ki. Jelentős felületet lehet megtakarítani az egy kaput felépítő tranzisztorok összekapcsolt kivezetéseinek a közösítésével, egy multi – kollektoros tranzisztor kialakításával. Az áramforrásként viselkedő tranzisztor szerepét az IIL áramkörökben, az injektor tölti be. Olyan technológiával készülnek, amelynek segítségével a kialakított kapuk integrált áramköri felületigénye sokkal kisebb, mint a TTL vagy az ECL kapué, és körülbelül azonos a MOS kapu felületigényével.
MOS integrált áramkörök Metal – oxide – semiconductor : fém – fémoxid – félvezető Előnyük a kis teljesítményű vezérlés és a kis felületigény. Típusai: • P csatornás MOS (P-MOS) • N csatornás MOS (N-MOS)
Növekményes vagy kiürítéses
• Komplementer MOS (CMOS)
Az N csatornás tranzisztorok előnyösebbek, mert bennük az áramvezetést az elektronok biztosítják és mozgékonyságuk kb. háromszorosa a lyukaknak.
N-MOS integrált áramkörök Inverter
NAND
NOR
CMOS integrált áramkörök A komplementer MOS áramkört P-csatornás és N-csatornás növekményes MOS tranzisztorpárok alkotják. A CMOS áramkör legfontosabb jellemzői: * rendkívül kis áramfogyasztás, * széles működési tápfeszültség-tartomány, * nagy zavarvédettség.
Előnyös tulajdonságokkal rendelkező változata a CMOS áramköröknek az SOS (Silicon on Sapphire) áramkör, amelyben a szilícium helyett zafír hordozóra alakítják ki a komplementer MOS tranzisztorokat. SOS előnyei: nagy szigetelési ellenállás egy nagyságrenddel nagyobb működési sebesség (parazita C kicsi) jelterjedési ideje 1-2 ns az áramkör felületi sűrűsége kb. négyszerese
CMOS integrált áramkörök Inverter
P – csatornás T2
N – csatornás T1
CMOS integrált áramkörök
NAND
CMOS integrált áramkörök
NOR
