Feszültségszintek. a) Ha egy esemény bekövetkezik akkor az értéke 1 b) Ha nem következik be akkor az értéke 0

Átírás

1 Logikai áramkörök

2 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

3 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.

4 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.

5 Logikai áramkörök jellemző adatai Tápfeszültség: U T, amely az áramkör működéséhez szükséges eltéréssel. ± U 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: I be1max = 40 µa, I be0max = 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 I ki1max = 400 µa, I ki0max = 16 ma!

6 Logikai áramkörök jellemző adatai Teljesítményfelvétel: a logikai áramkörök teljesítményfelvételét kétféle módon adják meg: a) különböző logikai szintekhez tartozó áramigényként b) 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 + 2 t plh

7 Diódás kapuáramkörök ÉS VAGY

8 Inverterek Egyszerűinverter FE alapkapcsolásban (szabad szintű) Megfogott szintű inverter

9 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.

10 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 T 1 tranzisztor zárva marad és a kollektora közel + U T - re kapcsolódik (logikai 1 a kimeneten). Így kialakul a NAND függvény.

11 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).

12 TTL NAND kapu

13 TTL NOR kapu

14 H-TTL NAND kapu (nagy sebességű)

15 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.

16 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

17 Open collector NAND kapu Huzalozott VAGY kapcsolat Huzalozott ÉS kapcsolat

18 Háromállapotú (tri-state) inverter

19 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.

20 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.

21 Integrált injekciós logika (IIL v. I 2 L) 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.

22 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) Komplementer MOS (CMOS) Növekményes vagy kiürítéses Az N csatornás tranzisztorok előnyösebbek, mert bennük az áramvezetést az elektronok biztosítják és mozgékonyságuk kb. háromszorosa a lyukaknak.

23 N-MOS integrált áramkörök Inverter NAND NOR

24 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

25 CMOS integrált áramkörök Inverter P csatornás T 2 N csatornás T 1

26 CMOS integrált áramkörök NAND

27 CMOS integrált áramkörök NOR