LOGICKÉ OBVODY Dle vnitřní struktury logické obvody rozdělujeme na: a) kombinační - nemají vnitřní zpětné vazby. Všem kombinacím vstupů jsou jednoznačně přiřazeny hodnoty výstupů, bez ohledu na předcházející stav. b) sekvenční - mají vnitřní zpětné vazby. Stav výstupních proměnných závisí na časové posloupnosti změn vstupních proměnných, tedy i na předcházejícím stavu obvodu. Dle možnosti změny logické funkce: a) logické obvody s pevnou funkcí. Logická funkce je dána schématem zapojení. b) logické obvody programovatelné. Logická funkce je dána vloženým programem do obvodu s pevným zapojením. Toto řešení je flexibilnější k výměně požadované funkce. Je realizováno 1) počítačem PC, ale má pomalou funkci 2) mikropočitačem 3) DSP - Digital Signal Procesor jsou rychlé ale funkčně omezené jednoúčelové mikropočítače 4) Hradlová pole mají velmi rychlou funkci, což integrované obvody obsahující logické a analogové obvody, jejichž propojení vstupů a výstupy je programovatelné. Propojení provede vnitřní mikropočítač podle zavedeného programu. Po počáteční fázi tzv. inicializace už obvod pracuje s pevnou strukturou, tedy velmi rychle. Integrované obvody - hradlová pole mají velmivysokou hustotu integrace, při svých malých rozměrem mohou plnit velmi složité funkce, např. imitovat mikroprocesor PC. Číslicové logické obvody se dnes téměř výhradně sestávají ze dvoustavových prvků. Dvoustavové logické proměnné v těchto obvodech zaujímají jeden ze dvou předem definovaných stavů, logických hodnot. Stavy standardně označujeme L , H), (dříve se užívalo 0, 1) .
Logické proměnné na vstupech a výstupech bloků se v elektronice většinou zobrazující velikostí napětí. Každá z logických hodnot H, L se přiřazuje určitému napěťovému stavu. Je ustáleným zvykem používat positivní logiku, která nižšímu napětí přiřazuje stav L (low) a vyššímu napětí stav H (high). Napětí jsou kladná.
šumová imunita
VSTUP
VÝSTUP
Příklad: Na obr. 6.1 je přířazení hodnot podle normy TTL 5V , původně výchozí normy pro ostatní :
5V H
0,4V
ZAKÁZANÉ PÁSMO VÝSTUPU
0,4V 0V
H
u OH uOL
H
u IH
O
I
L
0,4V
šum. im. L
2,4V
5V
L
2V ZAKÁZANÉ PÁSMO VSTUPU
uIL
0,8V 0V
Logický zisk n je maximální počet vstupů obvodů stejného typu, které lze na výstup daného obvodu připojit, aniž by vlivem zatížení výstupní napětí vyšlo z mezí tolerančních pásem. Obvykle se n pohybuje v rozsahu 5 až 30 u základních TTL obvodů, u obvodů CMOS až 200. Pro připojování vstupů a výstupu na vnější zařízení je třeba respektovat udávané hodnoty vstupních i výstupních proudů.
Nejužívanější stavebnice integrovaných logických obvodů: TTL - nejstarší, užívá bipolární tranzistory pro hradla i pro negátory. Napájecí napětí +5 V. Nahrazuje je nová technologický modifikace obvody LSTTL,. I2T – struktura bipolárních tranzistorů je vyrobena technologií implantace iontů. Čím menší a přesnější rozměry P a N vrstev, tím lepší elektrické parametry a rychlejší funkce. NMOS - využívá obvody s unipolárními tranzistory s kanálem vodivosti N, které jsou rychlejší než s kanálem P ale pomalejší než bipolární tranzistory v TTL. Základní stupeň je vytvořen unipolárním tranzistorem s N kanálem ve zapojení se společným emitorem, odporem v kolektoru. Velikost odporu v
kolektoru ovlivňuje spotřebu a rychlost. Jeho velká hodnota vede k nízké spotřebě, ale pomalé nabíjení vstupní kapacity dalšího hradla snižuje rychlost. Díky velké hustotě integrace jsou N-MOS stále nejrozšířenější při realizaci mikroprocesorů. CMOS, atd. používají kanály obou N i P vodivosti a hloubkového tvarování jejich profilů. Kolektorový rezistor je nahrazen také tranzistorem takže sepnutí výstupu do stavu H se děje přes malý odpor. Tím CMOS obvody s vyšší operační rychlostí mají velmi malou spotřebu energie. Stavebnice nesou označení HCTL. GAL, PAL jsou programovatelná hradlová pole složená z několika desítek tisíc hradel, která jsou propojena do složitých celků zadáním programu. Dosahují vysokou rychlost při možnosti přizpůsobení struktury zapojení řešené úloze. Konstruování složitých jednoúčelových logických obvodů dnes již nemá význam, řešení se dosáhne použitím mikropočítače a jeho naprogramováním. Elementární integrované logické obvody a obvody z jednotlivých tranzistorů, mají ale stále význam jako doplňky mikropočítačů.
Základní obvody užívané v elektronických stavebnicí jsou obvody s logickou funkcí NAND (negace konjunkce, negace disjunkce ) nebo obvody NOR (negace disjunkce, negace logického součtu)
a
x
b hradlo NAND a b Obr. 6.12.hradlo NAND
x
a L L H H
b L H L H
x H H H L
y H L L L
a
y
b
hradlo NOR
ZÁKLADNÍ STAVEBNICE LOGICKÝCH INTEGROVANÝCH OBVODŮ
INTEGROVANÉ UNIPOLÁRNÍ LOGICKÉ OBVODY Hradla a invertory unipolárních logických obvodů jsou tvořeny unipolárními tranzistory. Na unipolární logické obvody se přenášejí výhodné vlastnosti unipolárních tranzistorů, uvedené v kap. 12: - nízký potřebný vstupní výkon - velká šumová imunita rostoucí s napájecím napětím - velký rozsah napájecích napětí 3 až 15 V - jednoduché napájení - velký logický zisk 200-2000 - možnost vysokého stupně integrace daného mělkou MOS strukturou Unipolární integrované obvody jsou vyráběny v mnoha versích.
N MOS, elementární hradlo tvoří unipolarní tranzistor s N kanálem s rezistorem kolektoru. Klasických mikroprocesory jsou tvořeny NMOS obvody ve většině svých obvodů. Relativní pomalejší funkce, která může nastat u NMOS obvodů nastaveným na malou spotřebu velkým kolektorovým odporem. Vzniká zde dynamické zpoždění nabíjením vstupních kapacit následujícího stupně pře velký kolektorový odpor. Obvody s kolektorovým rezistory velkých hodmot az M jsou pomalé ale mají velmi nízkou spotřebu, např. procesory do hodinek, kapesních kalkulaček. Snížením hodnot kolektorových rezistorů se zvýší rychlost nabíjení kapacit, vzroste však proud odebíraný ve stavu L z napájecího zdroje. Při zvyšování rychlosti funkce roste spotřeba proudu pro nabíjení kapacit, tím roste ztrátový výkon integrovaného obvodu. Je třeba zvýšit jeho chlazení a tam kde to nestačí si lze pomoci snížením napájecího napětí. Napájecí napětí však lze snižovat jen do té hodnoty, kdy začne být porušena návaznost hodnot napětí pro stavy H a L na vstupu a výstupu.
N MOS, elementární hradlo tvoří unipolarní tranzistor s P kanálem s rezistorem kolektoru. Používají se zřídka v osamoceném provedení, P MOS je díky děrovému typu vodivosti pomalejší.
C MOS elementární hradla tvoří unipolarní tranzistor s N kanálem a místo kolektorového odporu je další unipolární tranzistor P MOS Příkladem jsou integrované obvody řady označované a s označením 4000HC a HCT. Základním obvodem vnitřní struktury většiny C MOS obvodů je invertor, vytvořený dvěma unipolárními tranzistory s doplňkovou vodivostí kanálů, znázorněný na obr. 6.22. Vstupy jsou navíc chráněny nezakreslenými Zenerovými diodami. Vstupy unipolárních MOS obvodů jsou chráněny před průrazem Zenerovými diodami, které jsou vytvořeny přímo na čipu. Avšak i přes toto opatření je třeba při práci s MOS prvky dbát na to, aby nebyl náhodně přiveden na vývody elektrostatický náboj. Nejnebezpečnější je přeskok náboje rychlým výbojem, který Zenerova dioda nestačí svést. Unipolární obvody včetně mikroprocesorových MOS obvodů je třeba transportovat v antistatických pouzdrech. Při vyjímání a pájení do plošného spoje se musí postupovat opatrně. Zejména páječka nesmí probíjet a je dobré těleso páječky spojit vodivě drátem s plošným spojem. Trafopájka je nebezpečná výbojem, který nastává při přehoření pájecí smyčky. Přepěťová ochrana vstupů se neustále zlepšuje, takže u moderních obvodů nebezpečí průrazu při běžném zacházení již nehrozí.
Převodní charakteristika C MOS S velikostí napájecího napětí UDD se převodní charakteristika posouvá. Největší výhodou C MOS obvodů je nízká spotřeba jak celková tak i vstupní, dobrá šumová imunita.
