Teknik Digital. Disusun oleh: Tim dosen SLD Diedit ulang oleh: Endro Ariyanto. Prodi S1 Teknik Informatika Fakultas Informatika Universitas Telkom

Teknik Digital

Disusun oleh: Tim dosen SLD Diedit ulang oleh: Endro Ariyanto

Prodi S1 Teknik Informatika Fakultas Informatika Universitas Telkom Oktober 2015

Pendahuluan Perancangan H/W (1) • Mengapa perancangan H/W perlu diperhatikan? – Kompleksitas rancangan meningkat pesat – Pentingnya produk memasuki pasar sedini mungkin (Time-to-market) – Life-time produk makin singkat – Portabilitas: • Battery operated • Small-sized

– Keandalan tinggi – Biaya desain makin mahal Sistem dan Logika Digital/2015 #1

Pendahuluan Perancangan H/W (2)

• Computer-Aided Design Tools – Desain manual ditinggalkan – Otomatisasi desain (synthesis tools) – Penekanan pada representasi desain abstrak – Desain hardware menjadi seperti desain software

• High-density & High-speed Programmable Logic vs Rangkaian diskrit – Memungkinkan rapid prototyping – Unjuk kerja tinggi – Kehandalan tinggi Sistem dan Logika Digital/2015 #2


• Pentingnya Metodologi Desain – Top-Down approach – Memudahkan desain rangkaian – Memudahkan lokalisasi error

• Representasi Rancangan – Behaviour – Structural – Abstraction

Sistem dan Logika Digital/2015 #3







Tahapan Realisasi VLSI VLSI = Very Large Scale Integration

Customer’s need Determine requirements Write specifications

Design synthesis and Verification Test development Fabrication Manufacturing test Chips to customer Sistem dan Logika Digital/2015 #7

Present and Future*

1997 -2001

2003 - 2006

Feature size (micron)

0.25 - 0.15

0.13 - 0.10

Transistors/sq. cm Pin count Clock rate (MHz) Power (Watts)

4 - 10M 100 - 900 200 - 730 1.2 - 61

18 - 39M 160 - 1475 530 – 1100 2 - 96

* SIA Roadmap, IEEE Spectrum, July 1999 Sistem dan Logika Digital/2015 #8

Karakteristik Gerbang Logika

• Logika Positif dan Logika Negatif • Kecepatan Switching • Disipasi Daya – Statik – Dinamik

• Power-Delay Product • Batas Derau • Fan-in dan Fan-out Sistem dan Logika Digital/2015 #9

Logika Positif & Logika Negatif

HV = High Voltage LV = Low Voltage NMH = Normal Margin High NML = Normal Margin Low Sistem dan Logika Digital/2015 #10

Input Aktif Low & Aktif High

Skema D1-R1 = Aktif Low - LED D1 nyala ketika input = Low atau 0 volt Skema D2-R2 = Aktif High - LED D1 nyala ketika input = High atau 5 volt Sistem dan Logika Digital/2015 #11

Output Aktif Low & Aktif High

Skema kiri = Aktif High - Output = High atau 5 volt ketika saklar SW1 ditekan Skema kanan = Aktif Low - Output = Low atau 0 volt ketika saklar SW2 ditekan Sistem dan Logika Digital/2015 #12

Kecepatan Switching

Sinyal Input

Sinyal Output


Batas Derau (Noise)

Noise tidak melebihi margin

Noise melebihi margin Sistem dan Logika Digital/2015 #14

Berbagai Macam Bentuk Transistor


Perbandingan Karakteristik Transistor Logika

TTL = Transistor-Transistor Logic ECL = Emitter Coupled Logic NMOS = Negatif MOS CMOS = Complementary MOS

FET = Field Effect Transistor MOS = Metal Oxide Semiconductor PMOS = Positif MOS Sistem dan Logika Digital/2015 #16

Layout Transistor NMOS

3 kondisi NMOS: - Non conducting - Conducting - Depletion


Simbol Transistor NMOS dan PMOS

Gerbang NMOS

Gerbang PMOS


Layout Transistor CMOS 2 transistor dalam satu paket:

Diagram rangkaian

Input High Output Low

Input Low Output High


Gerbang Inverter (Not) (1) Inverter tersusun dari CMOS


Gerbang Inverter (Not) (2) Q2 (p-channel) biasanya ditulis dengan simbol lain (ada bulatan pada gate) Output High: bulatan


Gerbang Inverter (Not) (3) Output Low: bulatan


Gerbang Inverter (Not) (4) Inverter dengan TTL

Aktif Low:

HV

LV


Gerbang Inverter (Not) (5) Simbol gerbang Inverter:

Input Aktif High: Tanda bulatan

Input Aktif Low:

Tanda bulatan

Tanda bulatan sebagai indikator Active Low


Gerbang Inverter (Not) (6) Contoh packaging gerbang NOT:

TTL: 7404

CMOS: 4069 Sistem dan Logika Digital/2015 #25

Gerbang AND (1) Gerbang AND dengan CMOS:

HV

LV

LV

HV LV

LV


Gerbang AND (2) Simbol Gerbang AND:


Gerbang AND (3) Contoh packaging gerbang AND dengan TTL:

TTL: 7408

TTL: 7411 Sistem dan Logika Digital/2015 #28

Gerbang OR (1) Gerbang OR dengan CMOS:

HV

HV

LV

HV

HV

HV


Gerbang OR (2) Simbol Gerbang OR:


Gerbang OR (3) Contoh packaging gerbang OR dengan TTL:


Gerbang NAND (Not AND)

Gerbang NAND dengan NMOS

(1)

Gerbang NAND dengan TTL

Gerbang NAND dengan DTL

DTL = Dioda Transistor Logic; TTL = ... Sistem dan Logika Digital/2015 #32

Gerbang NAND (Not AND)

(2)

Gerbang NAND dengan CMOS:


Gerbang

NAND (Not AND) (3)


Gerbang

NAND (Not AND) (4)

Simbol Gerbang NAND:

Tanda bulatan sebagai indikator ACTIVE LOW

seperti operasi AND biasa

Catatan: Z = (X.Y)’(H) = (X.Y)(L) Sistem dan Logika Digital/2015 #35

Gerbang

NAND (Not AND) (5)

Gerbang NAND dengan 3 input


Gerbang

NAND (Not AND) (6)

Gerbang NAND banyak input: (untuk n input diperlukan 2n transistor)


Gerbang

NAND (Not AND) (7)

Contoh packaging gerbang NAND dengan CMOS:

CMOS: 4011


Gerbang

NAND (Not AND) (8)

Contoh packaging gerbang NAND dengan TTL:

TTL: 7400

TTL: 7430 – 8 input Sistem dan Logika Digital/2015 #39

Gerbang NOR (Not OR) NOR dengan NMOS:

(1)

NOR dengan TTL:

NOR dengan DTL:


Gerbang NOR (Not OR)

(2)

Gerbang NOR dengan CMOS:

LV

LV HV


Gerbang NOR (Not OR) (3) Simbol Gerbang NOR:

Tanda bulatan sebagai indikator ACTIVE LOW

seperti operasi OR biasa

Catatan: Z = (X+Y)’(H) = (X+Y)(L) Sistem dan Logika Digital/2015 #42

Gerbang NOR (Not OR) (4) Gerbang NOR banyak input: (untuk n input diperlukan 2n transistor)


Gerbang NOR (Not OR) (5) Contoh packaging gerbang NOR dengan CMOS:

CMOS: 4000

CMOS: 4002


Gerbang NOR (Not OR) (6) Contoh packaging gerbang NOR dengan TTL:

TTL: 7402


Gerbang XOR (1) XOR dengan MOS:

XOR dengan CMOS:


Gerbang XOR (2) Simbol gerbang XOR:


Gerbang XOR (3) Contoh packaging gerbang XOR dengan TTL:


Gerbang EQV EQV dengan MOS:

Simbol gerbang EQV:


Gerbang AND Alternatif (1) Gerbang AND dapat tersusun dari gabungan dari gerbang NAND dan NOT


Gerbang AND Alternatif (2) Gerbang AND dapat tersusun dari gerbang OR yang semua input dan outputnya aktif low


Catatan: Z = X.Y = (X.Y)’’ = (X’+Y’)’

Catatan: Z = (X’+Y’)’ = X.Y


Gerbang OR Alternatif (1) Gerbang OR dapat tersusun dari gabungan dari gerbang NOR dan NOT


Gerbang OR Alternatif (2) Gerbang OR dapat tersusun dari gerbang AND yang semua input dan outputnya aktif low

seperti operasi AND biasa

Catatan: Z = X+Y = (X+Y)’’ = (X’.Y’)’

Catatan: Z = (X’.Y’)’ = X+Y


Gerbang NAND Alternatif Gerbang NAND dapat tersusun dari gerbang OR yang semua input-nya aktif low Z(H)=(X+Y)(H)


Catatan: Z = (X.Y)’ = X’+Y’

Catatan: Z = X’+Y’ = (X.Y)’


Gerbang NOR Alternatif Gerbang NOR dapat tersusun dari gerbang AND yang semua input-nya aktif low X(L)

Z(H)=(X.Y)(H)

Y(L) seperti operasi OR biasa

Catatan: Z = (X+Y)’ = X’.Y’

Catatan: Z = X’.Y’ = (X+Y)’


Gerbang Inverter (NOT) Alternatif (1) Gerbang NOT menggunakan gerbang NAND:

Salah satu input selalu dihubungkan ke HV atau 1(H)

Semua input digabung menjadi satu

Salah satu input selalu dihubungkan ke HV atau 0(L) Sistem dan Logika Digital/2015 #56

Gerbang Inverter (NOT) Alternatif (2) Gerbang NOT menggunakan gerbang NOR:

Salah satu input selalu dihubungkan ke HV atau 1(H)

Semua input digabung menjadi satu

Salah satu input selalu dihubungkan ke HV atau 0(L) Sistem dan Logika Digital/2015 #57

Substitusi Gerbang Logika


Incompability Incompability terjadi ketika aktif High bertemu dengan aktif Low


Konversi dari Rangkaian Logika ke Fungsi Logika (1) Contoh 1: Tuliskan fungsi logikanya! Tips: mulai dari ujung awal (input)

F(X,Y,Z) = XY+X’Y’Z

Contoh 2: Tuliskan fungsi logikanya! (B’+C)(H)

A(L)

((B’+C)’ + (AD’))(L) (A.D’)(L)

F(L) = ((B’+C)’ + (AD’))(L) Sistem dan Logika Digital/2015 #60

Konversi dari Rangkaian Logika ke Fungsi Logika (2) Contoh 3: Tuliskan fungsi logikanya! (A’+B)’

(A+C’)’

(B+C)’

F(A,B,C) = ((A’+B)’+(A+C’)’+(B+C)’)’


Konversi dari Rangkaian Logika ke Fungsi Logika (3) Latihan: Tuliskan fungsi logikanya!


Konversi dari Rangkaian Logika ke Fungsi Logika (4) Latihan: Tuliskan fungsi logikanya!


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (1) Tips: mulai dari ujung belakang (output) Contoh 1: Implementasikan fungsi F(L) = (x+y’)(z+y) dengan gerbang NAND dan NOT sesedikit mungkin dimana x dan y aktif high dan z aktif low Jawab: Gerbang NAND: atau

x(L) y’(L) y(L)

(x+y’)(H) (x+y’)(z+y)(L) (z+y)(H)

z(L)


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (2) Contoh 2: Implementasikan G(H) = (A’ + B’)(A + C) dengan gerbang AND, NOT, dan NAND sesedikit mungkin dimana A, B, dan C aktif Low Jawab: (alternatif I) Gerbang AND =

atau

Gerbang NAND =

atau

(A’)(L) (A’+B’)(H) (B’)(L)

G(H)=(A’+B’)(A+C)(H)

(A+C)(H)


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (3) Jawab: (alternatif II) G(H) = (A’+B’)(A+C)(H) = ((A’+B’)(A+C))’(L) = ((A’+B’)’+(A+C)’)(L) = (A.B+A’C’)(L)


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (4) Contoh 3: Implementasikan F(A,B,C) = (A’ + B)(A + C’)(B+C) dengan gerbang NOR seperti berikut: Jawab: F(A,B,C) = (A’ + B)(A + C’)(B+C) = ((A’ + B)(A + C’)(B+C))’ ’

= ((A’+B)’+(A+C’)’+(B+C)’)’


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (5) Contoh 4: Implementasikan F(A,B,C) = AB’ + BC’ + A’C dengan gerbang NAND seperti berikut: Jawab: F(A,B,C) = AB’ + BC’ + A’C = (AB’ + BC’ + A’C)’ ’

= ((AB’)’(BC’)’(A’C)’)’


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (6) Contoh 5: Implementasikan G(H) = (A’ + B’)(A + C) dengan gerbang NOR dan NOT sesedikit mungkin dimana A, B, dan C aktif Low Jawab: (alternatif I) Gerbang NOR =

atau

(A’)(H)

(B’)(H)

(A’+B’)(L) G(H)=(A’+B’)(A+C)(H)

(A)(H)

(A+C)(L)

(C)(H)


Konversi dari Fungsi Logika ke Rangkaian Logika (7) Jawab: (alternatif II) G(H) = (A’+B’)(A+C)(H) = ((A’+B’)(A+C))’(L) = ((A’+B’)’+(A+C)’)(L) = (A.B+A’C’)(L)


Contoh Implementasi Logika Digital (1) Persamaan: Z = S’ × A + S × B Tabel kebenarannya:

Implementasi dengan transistor


Contoh Implementasi Logika Digital (2) Persamaan: Z = S’ × A + S × B Implementasi dengan gerbang logika:

Contoh packaging dalam IC TTL 74157:

Multiplexer 4 bit Sistem dan Logika Digital/2015 #72

Konversi ke Gerbang NOR Ubah rangkaian dengan gerbang OR dan AND berikut dengan gerbang NOR:

Solusi:


Konversi ke Gerbang NAND Ubah rangkaian dengan gerbang OR dan AND berikut dengan gerbang NAND:

Solusi: incompatibility


ABEL dan VHDL • Various hardware description languages – ABEL

– VHDL

• We’ll start with gates and work our way up


Implementasi Dengan Komponen Non-Diskrit

• Keandalan lebih tinggi • Unjuk kerja rangkaian lebih tinggi • Waktu desain lebih singkat • Tak perlu minimisasi fungsi • Cocok untuk fungsi berbentuk Kanonik SOP dan POS • Siap untuk fungsi Multi Output


Pustaka [TIN91] Tinder, Richard F. 1991. “Digital Engineering Design : A Modern Approach”. - edition. Prentice Hall.


Teknik Digital. Disusun oleh: Tim dosen SLD Diedit ulang oleh: Endro Ariyanto. Prodi S1 Teknik Informatika Fakultas Informatika Universitas Telkom

Recommend Documents