Dárf.1. Digitális áramkörök fizikai felépítése

Átírás

1 Dárf.1. Digitális áramkörök fizikai felépítése A ma használatos digitális áramköröket alapvetően kétállapotú, kapcsoló tulajdonságú elemekből építjük fel. A működtetéshez használatos energiaforrás tulajdonképpen sokféle lehetne. Mechanikai erő, és a kimenet ekkor valamely helyzet, vagy anyagáram, pl. sűrített levegő, illetve folyadék, a kimenet pedig anyagáramlás irányítottsága, vagy mennyisége. Ez utóbbiak a pneumatikus, illetve hidraulikus elemek. Ma leggyakrabban az elektromos energia felhasználásával működő kapcsoló tulajdonságú elemeket használják, de bizonyos speciális alkalmazásokban, használatban vannak a felsorolt energiákra épített rendszerek is. Logikai működésük a megfelelő jellemzők transzformálásával tárgyalhatók. Ezekkel a későbbiekben nem foglalkozunk. A logikai áramkörök működésének tárgyalásához meg kell ismerkednünk a kapcsolók tulajdonságaival. Egy ideális, kétállapotú kapcsoló lehetséges állapotai: - Zárt állapot; ekkor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, rajta áram folyhat keresztül. Nyitott állapot; ekkor a kapcsoló kikapcsolt, szakadt állapotban van, rajta áram nem folyhat. Az ideális kapcsoló, zárt állapotában 0 Ω átmeneti ellenállást, míg nyitott állapotában Ω ellenállást képvisel. Átkapcsolási ideje 0, az átkapcsoláshoz nem igényel teljesítményt, és a vezérlés és a kimenet között nem folyhat áram. A bemenetek és a kimenetek egymástól teljesen el vannak szigetelve. Az elmondottakból következően az ideális kapcsoló zárt állapotában, a csatlakozó pontjai között nem mérhető feszültség, míg a kikapcsolt kapcsolón nem folyik áram. A valós kapcsolót vizsgálataink során az 1. ábrán bemutatott helyettesítő képpel tudjuk leírni. Amint látható, a bekapcsolt kapcsolóval, mindig sorba kapcsolódik egy r s soros ellenállás, mely az alkalmazás során átfolyó áram hatására egy U m maradékfeszültséget eredményez. A katalógusok az alkalmazásoknak megfelelően, a legtöbb esetben ennek a megengedhető értékét adják meg. A kikapcsolt kapcsolóval párhuzamosan kapcsolódik egy R p párhuzamos ellenállás. A gyakorlatban ennek hatását a kikapcsolt kapcsolón folyó I z szivárgási árammal vesszük figyelembe. R p p r s L s Dárf.1. ábra. Egy valós kapcsoló helyettesítő képe A valós kapcsolónál mindig fellép egy soros L s induktivitás és egy párhuzamos p kapacitás is. Hatásukat a dinamikus működés vizsgálatánál vesszük figyelembe. A valós kapcsolók jellemzői: - Bekapcsolt állapotában a kapcsoló átmeneti ellenállása nem 0, és fellép egy U m maradékfeszültség. Kikapcsolt állapotban folyik egy I z szivárgási áram. Dárf /48

2 Az átkapcsolási idő nem 0 A vezérlés kíván egy bizonyos, nem 0 teljesítményt. A bemenet, kimenet(ek) elszigeteltsége nem mindig tökéletes. A megvalósítástól függően az egyes paraméterek változnak. A különböző megvalósításoknál erre a nagyságrendek bemutatásával kitérünk. A logikai áramkörök fizikai felépítésének bemutatását csak az elektromosság felhasználásával működő eszközökre végezzük el. Megjegyezzük azonban, hogy teljesen kiépített, működő logikai elemcsaládok léteznek, és vannak mindennapos használatban pneumatikus és hidraulikus megoldással is. Ezek használatára elsődlegesen robbanásveszélyes üzemeknél van szükség. Az elektromos, valamint a más fizikai elveken megoldott, gyakorlatban használt rendszerek közötti átmenetet biztosító eszközök is kereskedelmi termékek. Dárf.1.1. Elektromosság felhasználásával működő logikai elemek Kapcsolókkal a kialakítástól függően áram, illetve feszültség alapú logikákat lehet kialakítani. Áram logikáról beszélünk, ha az adatvivő fizikai mennyiség áramlási útvonalának kapcsolásával alakul ki a logikai kapcsolat. A jelvivő van áram, nincs áram, rendszerben változik. Feszültség logika esetén a jelvivő a feszültségszint nagysága: alacsony szint, illetve magas szint formájában. A kapcsolás a bejövő szintek aktuális értékének és a kialakítandó logikai kapcsolatnak megfelelően biztosítja a kimenetek feszültség értékének a beállítását. A bemeneti vezérlés is történhet árammal, illetve feszültséggel. Ennek megfelelően különféle sokszor vegyes megoldások léteznek. Az áram és a feszültséglogika között megfelelő alkatelem felhasználásával váltani lehet. Az elmondottak értelemszerűen igazak az anyagárammal vezérelt logikák esetén is. A fizikai megvalósítások esetén egyes megoldások kitüntetett előnyökkel járnak, így ott azokat a felépítéseket használjuk. Erre az egyes típusok bemutatásakor kitérünk. A logikai szintek kialakításakor mindig sávokról beszélhetünk, hiszen csak két érték tartományt, illetve átmenetként a köztes, ebből a szempontból nem értelmezettnek tekintett tartományt használjuk. Ez a megközelítés, a megvalósítás során, az analóg áramköri megvalósításhoz képest könnyebbségeket jelent, és nagymértékben segítette a digitális elven működő berendezések elterjedését. Dárf Elektromechanikus (jelfogó, relé) rendszerek. A legrégebben használt, elsősorban ipari vezérlésekben ma is forgalomban lévő eszközök. Jelfogóval, illetve más elektromechanikus kapcsoló eszközökkel valósították meg a 20. század elejének automatikus telefonközpontjait, melyeknek egyéb gyorsabban működő kapcsoló elemekkel való felváltása az 1900-as évek utolsó harmadában indult meg. A logikai eszközök tervezésének számtalan ma is használatos megoldását a jelfogós kapcsolás technikához fejlesztették ki. Bizonyos alkalmazásokban, a jövőben is jelentőséggel bírnak. Dárf A jelfogók általános felépítése: (Dárf.2., Dárf.3. ábra) A jelfogó árammal vezérelt, alapvetően áram logika megvalósítására használható eszköz. Alapvetően áll egy tekercsből, mely a rajta átfolyó áram hatására a belsejében elhelyezett lágy mágneses anyagból készült magban mágneses teret hoz létre, és ennek a mágneses térnek a munkavégző képességével mechanikus érintkezőket mozdít el. A kapcsolást a mechanikus érintkezők hozzák létre. Alapvetően két szerkezeti felépítést kell megemlíteni: Dárf /48

3 - A mágneses tér egy karon elmozduló mágneses lemezkét, úgynevezett horgonyt vonz magához, melynek az alaphelyzetbe visszatérését rugó, vagy súlyerő biztosítja, és a tengely körül elforduló horgony megfelelően kiképzett szigetelőanyagú része zárja, illetve nyitja az érintkezőket. Az érintkezők rugalmas anyagból, rendszerint foszforbronz, készülnek és az érintkező felületük, egy-egy Wolfram pogácsa, illetve az ellen darabnál egy Wolframból kialakított él. 2. ábra. Az elmozdulást a lágy mágneses anyagból kialakított, vagy vele felszerelt érintkező kar végzi, és ebben az esetben elmarad a horgony. Az érintkező mozgása, mivel kisebb a mozgó tömeg, gyorsabb lesz. Az ily módon kialakított érintkezőt közvetlenül a tekercsbe helyezik. Ezt a megoldást Reed-relének nevezik. A Reed-relé érintkezőjét üvegből készült gázzáróan leforrasztott hengerben védőgázba helyezik. Így nem tud a levegőből származó idegen anyagoktól elpiszkolódni, élettartama és megbízhatósága jelentősen megnő. W pogácsa Érintkezõ Rugó Horgony Forgáspont Tekercs Vasmag Dárf.2. ábra. Hagyományos felépítésű relé szerkezete. Dárf /48

4 Mágnesezhetõ rugalmas kar Üvegcsõ Elmozduló érintkezõ Tekercs Álló érintkezõ Dárf.3. ábra. Reed-relé szerkezete. A relék működési ideje erősen függ a szerkezeti kialakítástól. Egy horgonyos relé néhány ms, a régebbi típusok 10 ms alatt, míg a Reed-relék ms körüli idő alatt működnek. Léteznek különleges kialakítású, µs kapcsolási idejű típusok is. Egy relé érintkező átmeneti ellenállása zárt állapotában néhány tized Ohm. Reed-relénél a zárt térbe, az érintkezőre vitt Higany csepp segítségével még javítható. Ma is ez a legjobb elérhető érték. A zárt érintkezőn, a kapcsolási felületek beégése nélkül a kialakítás, vagyis a típus függvényében néhány 10, 100 ma áram folyhat át. Az ennél nagyobb áram kapcsolására kialakított típusokat, amit az erősáramú technikában alkalmaznak, már mágnes kapcsolónak nevezik. A nyitott érintkezők között az átmeneti ellenállás jobb, mint 1 MOhm. Ez az érték Reed-reléknél a befoglaló üveg gondos tisztításával, illetve nagyobb méretű (hosszabb) csövek használatával jelentősen növelhető. A nyitott kapcsolók között a megengedhető feszültség az általánosan használt típusoknál V környékén van. Az elmondott jó értékek nem elsősorban a logikai kapcsolások kialakításánál, hanem méréstechnikai kapcsolások, sok esetben analóg multiplexerek kialakításánál ma is nélkülözhetetlenné teszik a Reed-reléket. A relék mindig igényelnek teljesítményt a vezérlésükhöz. Fizikai méreteik illeszkednek az Ik tokméretéhez. A ma használt egyszerű Reed-relék mérete megegyezik egy szokványos Dual-in-line tok befoglaló méretével, csak a magasságuk több, néhány mm. Dárf /48

5 Dárf Áramutas logika kapcsolástechnikája: A mechanikus érintkezők három féle kialakításúak lehetnek: - Záró Dárf.4.a. ábra - Nyitó 4.b. ábra - Átkapcsoló (Morse) 4.c. ábra Záró érintkezõ Nyitó érintkezõ Átkapcsoló Dárf.4. ábra. Relé érintkezők típusai A záró érintkező képviseli a jel ponált értékét (folyik az áram), míg a nyitó a jel negált értékét (nem folyik áram). Az átkapcsoló egy adatirányító, mely a bekötésétől függően multiplexer, illetve demultiplexer feladatot lát el. A vezérlőjel itt, a relé tekercsébe bevezetett (áram) érték. Fontos megjegyezni, hogy az érintkezők mindkét irányban egyformán vezetnek. Ezt különösen analóg áramkörökbe beiktatott érintkezőknél kíván figyelmet. További fontos dolog, hogy egy relénél annyi érintkezőre van szükség, ahány logikai függvényben felhasználjuk, a relé által képviselt logikai változót. Ennek megfelelően a relés kapcsolások többkimenetű hálózatok. Ipari felhasználás szempontjából a relék hosszú távú használata mellett szól, hogy készíthető és van is forgalomban váltóárammal működtethető relé. Ezek a típusok a szokásos 230 (fokozatosan 240) V-s hálózati feszültségről is működtethetőek, így egyszerű alkalmazások esetén nincs szükség tápegységre. A bemutatott kapcsolásokon, szaggatott vonallal összekötve, mindenütt szerepeltetjük terhelésként egy következő fokozatú relé tekercsét. Ez természetesen már nem része a kapunak. Dárf /48

6 Dárf ÉS (AND) kapu kialakítása: Sorba kötött záró érintkezőkkel biztosítjuk, hogy a kimeneten akkor folyjon az áram, ha mindegyik bemenet igaz, vagyis a relék tekercsén áram folyik. Dárf.5. ábra. Táp A B A*B* Dárf.5. ábra. Relés ÉS kapu Dárf VAGY (OR) kapu kialakítása: Párhuzamosan kötött záró érintkezőkből bármelyik zárt, a kimeneten áram folyik. Dárf.6. ábra A+B+ Táp A B Dárf Negálás (Inverter) kialakítása: Dárf.6. ábra. Relés VAGY kapu Most nyitó érintkezőt használunk. Ha a relét nem gerjesztjük, vagyis a bemeneten nem folyik áram, a kimeneten, az ekkor zárt bontó érintkezőn áram folyik. Ha a relét árammal gerjesztjük, a nyitó érintkező megszakít, és a kimeneten nem folyik áram. Dárf.7. ábra. Táp A A Dárf.7. ábra. Relés negáció Dárf /48

7 Dárf ÉS-NEM (NAND) kapu kialakítása: Most a feladat, a kimeneten akkor ne folyjon áram, ha mindegyik bemeneten folyik. Ezt megvalósíthatjuk egymás után kötött ÉS kapu és Inverter felhasználásával, de egyszerűbb megoldáshoz jutunk a párhuzamosan kötött bontó kapuk alkalmazásával. A kimeneten mindaddig áram folyik, amíg valamely bemenetét nem gerjesztjük. A kimenet szakadt, vagyis áram nem folyik, ha mindegyik bemenetet gerjesztjük. Dárf.8. ábra. Táp A B A*B* Dárf.8.a. ábra ÉS kapu és inverter alkalmazása A*B* Táp A B Dárf.8.b. ábra. bontó érintkezők használatával a kapcsolás egyszerűbben kialakítható Dárf.8. ábra. Relés ÉS-NEM kapu két fajta megvalósítása Dárf VAGY-NEM (NOR) kapu kialakítása: Sorba kötött nyitó érintkezőkkel érjük el, hogy a kimeneten nem folyik áram, ha bármelyik bemenetet gerjesztjük. Dárf.9. ábra. Táp A+B+ A B Dárf.9. ábra. Relés VAGY-NEM kapu Dárf /48

8 Dárf Azonosság (EKVIVALENIA, EXNOR) kapu kialakítása: Ez a függvény két bemenetre értelmezett. Két szembekötött váltó érintkezővel biztosítjuk, hogy a kimeneten akkor folyjon áram, amikor a két relé gerjesztése megegyezik. Dárf.10. ábra. Táp A B A B Dárf.10. ábra. Relés AZONOSSÁG kapu Dárf KIZÁRÓ-VAGY (EXOR) kapu kialakítása: Szintén két bemenetre értelmezett logikai kapcsolat. A két keresztező vezetékkel szembekötött váltó érintkezők biztosítják, hogy a kimeneten csak akkor folyjon áram, ha a bemenetek gerjesztése ellentétes. Közönséges kétállapotú kapcsolókkal megvalósítva ez az úgynevezett lépcsőház világítás, ezért most terhelésként, relé helyett egy világító test szimbólumát rajzoltuk le. Dárf.11. ábra. Táp A B A B Dárf.11. ábra Relés. KIZÁRÓ-VAGY kapu, izzólámpa terheléssel Dárf /48

9 Dárf Tároló elem kialakítása: A záró, bontó érintkezők vegyes használata itt különösen egyszerű kapcsolást tesz lehetővé. Ha az A bemeneten gerjesztjük a relét, és az meghúz, a záró érintkezőjén keresztül biztosítja saját tartását. A bontás az öntartást biztosító nyitó érintkezőn keresztül valósítható meg. Lényegileg ez egy hurokerősítőnek is nevezett kapcsolás. Gyakorlati okokból készítenek olyan reléket is, melyek két tekercsel, rendelkeznek. Az egyik a behúzást, a másik a tartást biztosítja. A tartó áram mivel ekkor jóval kisebb erőt kell kifejteni kisebb lehet, mint a behúzó áram, és ezt a relé segédtekercsének a méretezésénél figyelembe veszik. Az egy tekercses megoldást a Dárf.12.a., a kéttekercses megoldást a Dárf.12.b. ábrán mutatjuk be. Táp Q Be Kikapcsolás vezérlése Dárf.12.a. ábra. Tároló elem egy tekercses reléből kialakítva Táp Be Q Q Táp Kikapcsolás vezérlése Dárf.12.b. ábra. Kéttekercses (tartótekercses) relével megvalósított tároló kapcsolás Dárf Összetett elem, ÉS-VAGY-NEM kapu megvalósítása: Működése az előzőekből következik, így csak a kapcsolását mutatjuk be. Dárf.13. ábra. Táp A*B+*D A*B+*D Táp A B D Dárf.13. ábra. Relével megvalósított ÉS-VAGY, és ÉS-VAGY-NEM kapu Dárf /48

10 Dárf Adatirányító multiplexer, illetve demultiplexer megvalósítása: A két irányban egyformán viselkedő érintkező miatt, csak a felhasználás szerint tudjuk megkülönböztetni őket. Be0 Be2 Be1 Be3 Ki B A Dárf.14. ábra. Adatirányító (egy lehetséges) felépítése Dárf.1.2. Kétpólusú elemek felhasználása logikai függvények megvalósítására: Az eddig bemutatott kapcsolásokban a kapcsoló három pólusként volt használva. Volt bemenete, kimenete és vezérlő bemenete. Olyan elemeknél, ahol a bemenet és a vezérlés közös pontot képez, két pólusról beszélünk. A kétpólusú elemek legismertebbje az egyszerű dióda. Áramutas logika esetén - egyenáramú táplálás mellett - diódával VAGY kaput lehet kialakítani. Az így létrehozható alapkapcsolást, aminek ponált negált kimenetét is feltüntettük, a Dárf.15. ábrán mutatjuk be. A Táp A+B+ A+B+ B Dárf.15. ábra. Diódával és relével kialakított VAGY, illetve VAGY-NEM kapu Az eddigiek során az áramutas logikát megvalósító relés kapcsolásokkal foglalkoztunk. Most nézzük az elektronikus, alapvetően félvezetővel megvalósított feszültség logikát. Megjegyezném, hogy az elektronikus kapcsolásokat először elektroncsöves technikára dolgozták ki, ennek azonban ma már csak történelmi jelentősége van. Dárf /48

11 Dárf A feszültség logika jellemzői: - Két szinttartományt különböztetünk meg, egy alacsony (Low) a fölpotenciálhoz közeli, és egy magas (High) a tápfeszültséghez közeli sávot. Valós értékük áramköri méretezés eredménye. A sávok használatos értekeit lásd Digitális áramkörök fizikai jellemzői" című fejezetben. - A tápfeszültség elvileg lehet + és is. - A két tartomány logikai állapothoz rendelése, választás kérdése, így ha a logikai 1 a magasabb szintű tartomány, mint a 0 szinthez rendelt, pozitív, míg ellenkező esetben negatív szintű logikáról beszélünk. - Ma elsősorban pozitív tápfeszültségű pozitív logikát használunk. Tárgyalásunkban is elsődlegesen erre hivatkozunk. Ekkor az alacsony szint-tartományt 0-tól, a referencia földponttól számítjuk. - A jelszintek megőrzéséhez szükséges aktív, szinthelyreállító elemek beépítése. A használatos, aktív elemeket tartalmazó kapcsolások ezt biztosítják. Dárf Diódás logikák Dárf Diódás VAGY kapu: Az áramutas logikánál már láttuk a megvalósítását. A diódák bekötése olyan, hogy a bemeneten lévő magas, U H (High) szint hatására áram folyik át rajtuk, a relé meghúz. Ez tulajdonképpen nyitóirányú üzemmód. Feszültséglogikában való használatakor a különbség, hogy szükségünk van egy R f munkaellenállásra, mely az anódon fellépő, magas U beh feszültségszint hatására átfolyó áramból, egy U kih kimeneti feszültségszintet, alakit ki. A diódán fellépő U m maradékfeszültség értékével a kimeneti feszültség szint mindig kisebb, a bemenet(ek)re kapcsoltnál. A sávon belül megengedhető, és aktuálisan fellépő legnagyobbnál. U kih = U beh - U m Ha minden bemeneten alacsony feszültség szint van, ekkor nem tud áram folyni, a diódák lezárnak. Ekkor a kimenet feszültségét az R f ellenálláson átfolyó áram állítja be, az U kil = alacsony feszültség szintre. Ez a bemutatott kapcsolás Dárf.16. ábra esetén 0 V U m A B Ube Uki R f Dárf.16. ábra. Diódás VAGY kapu, pozitív tápfeszültségű pozitív logika esetén Dárf /48

12 Dárf Diódás ÉS kapu: A diódákon most akkor folyik áram, ha a hozzátartozó bemeneten alacsony L feszültség szint van. Bármelyik bemeneten lévő alacsony szint esetén a hozzátartozó dióda kinyit és az R m munkaellenálláson áram folyik. A kimeneti szint a bemenet feszültsége plusz a dióda maradék feszültsége. U kil = U bel + U m Ha mindegyik bemenet magas szinten van, akkor az összes dióda lezár, és a kimeneten magas szint jelenik meg. A diódákon ekkor a dióda típusának megfelelő záró irányú áram folyik. Dárf.17. ábra U m + R m UbeA B Uki Dárf.17. ábra. Diódás ÉS kapu Diódás kapuknál a diódákon létrejövő feszültségesés szinttorzulást okoz. Pl. ha U T = 5V, akkor a szokásosan használt szilíciumdiódák esetén U m = 0-0,7 V, így a magas szint a bemeneti magas szint és a tápfeszültség közötti érték. A torzulás alacsony szintnél, ahol a 0 V helyett 0,7 V áll elő, káros. Kiküszöbölhető, ha a következő fokozat ellenirányú diódát tartalmaz. Vagyis a diódás ÉS-VAGY kapu, a szintek szempontjából hasznos elem. Dárf.18. ábra. + A B D Dárf.18. ábra. Diódás ÉS-VAGY kapu A diódás logikával nem lehet jelregenerálást végezni, és invertert létrehozni. Erre a feladatra csak a hárompólusú elemek képesek. Fontos szempont viszont, hogy a diódákkal kialakított kapuk összeférnek mindegyik ma használatos logikai elemmel, és egyszerű módosításoknál hasznos kiegészítéseket adhatnak. Ezért alkalmazásukkal számtalan helyen lehet találkozni. Dárf /48

13 Dárf Hárompólusú félvezető kapcsolókkal megvalósított logikai elemek. A hárompólusú félvezető elemek főbb alaptípusai: - Bipoláris tranzisztorok áramvezérlésű kapcsolóelemekként Bipoláris tranzisztor és Zener dióda kombinációja Záróréteges térvezérlésű tranzisztorok Szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok Tirisztorok Triakok. Egyéb félvezető alapú kapcsolók Optoelektronikai eszközök Tisztán fényt alkalmazó eszközök A továbblépés előtt röviden vázolnunk kell egy a későbbiekben sűrűn használt fogalmat. Integrált áramkörnek nevezzük azt a technológiai megoldást, ahol az áramkör elemeit egy egységes hordozón, roncsolás nélkül bonthatatlanul építenek össze. Fontos alaptípusuk a félvezető alapú integrált áramkör. Itt aktív és passzív alkatelemek ugyanabból a félvezető alapanyagból, a tulajdonságukat módosító idegen atomok szerkezetbe építésével alakítanak ki. A digitális technikában, ha I-ről (Integrated ircuit), vagyis integrált áramkörről beszélünk, alapvetően mindig a félvezető alapú megoldásra kell gondolnunk. Ha a megoldás ettől eltér, azt külön említjük. Az integrált áramkörökben a szoros egymásba építhetőség miatt olyan kapcsolások is léteznek, amit az egyedi felépítésű, úgynevezett diszkrét alapelemekből nem lehet létrehozni. Mielőtt továbbmegyünk szükséges néhány gyakran használt megnevezés tisztázása: - Az integrált áramköröket szokásos csoportosítani a bennük felhasznált tranzisztor funkciók száma szerint. Ez a csoportosítás a kezdetekben alakult ki, és nem számolt az elképesztő nagyságrendi fejlődéssel. Ebből adódóan az egyes méret kategóriák eléggé esetlegesek és az egyes méretek nagyságrendekkel is eltérnek. Ezenkívül, a korszerű áramkörökben számtalan a tulajdonságokat javító, de a kapcsolásban a felhasználó számára nem igazán látható megoldás is beleépült. Ez ma, amikor a tranzisztornak nincs ára, vagyis a kész áramkör árában nem játszik szerepet, ha valamely előnyös tulajdonság miatt pár százzal többet integrálnak a morzsa, vagyis a chip felületére, tulajdonképpen az alsó méret kategóriák értelmezését is megváltoztatná. Ez természetesen nem történt meg. Tehát azonos kategóriába soroljuk a legelső TTL áramkörökben, és a korszerű alacsony tápfeszültségű áramkörben, pl. egy ALV sorozatban megvalósított azonos áramköri, illetve hát logikai feladatot ellátó elemet. A felosztások: SSI Smol Scale Integrated Alacsony integráltságú elemek 3-30 tranzisztor funkció között. Ma azt mondanánk Alap funkciójú logikák. Ide tartoznak a kapuk, az elemi Flip-flopok. MSI Media Scale Integrated Közepes integráltságú elemek tranzisztor funkció között. Ma azt mondanánk funkcionális áramkörök. Ide tartoznak a multiplexerek, demultiplexerek, regiszterek, számlálók, az ALU. LSI Large Scale Integrated Nagy mértékben integrált áramkörök 3000 tranzisztor funkció felett. Tulajdonképpen a teljes funkcionális egységeket megvalósító áramköröket sorolják ide. Dárf /48

14 Ez a kategória régen kinőtte magát. Ide tartoznak a Soros átviteli vezérlők (ezek voltak az elsők) a kezdeti mikroprocesszorok, alapvetően a 8 bitesek, mikrokontrollerek, kisebb félvezető memóriák, a programozható logikák egy része, stb. tulajdonképpen minden funkcionálisan teljes feladatot megvalósító áramkör. VLSI Very Long Scale Integrated Igen nagymértékben integrált áramkörök. Ez a 32 bites mikroprocesszorok, a Megabit nagyságú félvezető memóriák családja. VHLSI a továbbfokozás. Tulajdonképpen az egy félvezető lapkán, illetve az egy tokban megvalósított teljes berendezést létrehozó áramkörök megnevezése. Dárf A félvezető kapcsoló elemek felhasználása logikai elemekben: - A bipoláris tranzisztorokkal hozták létre az első félvezető logikai elemcsaládokat. Ebből a típusból készült 1958-ban az első integrált áramkör. Még Germánium alapanyagból, de előnyős tulajdonságai miatt nagyon gyorsan áttértek a szilícium alapanyagú integrált áramkörök gyártására. Fontos szerepet játszottak a közepes integráltsági fokig, az integrált áramkörök elterjedésében. A bipoláris tranzisztor áramvezérelt eszköz. A működő kapcsolások kialakításához kiegészítő elemként ellenállásra van szükség. E miatt és az áramvezérlés igénye miatt a kapcsolások teljesítmény felvétele viszonylag nagy. A tisztán bipoláris áramkörökből létrehozott családok használata ma már háttérbe szorul. Más elvű félvezetőkkel kombinálva azonban továbbra is jelentős szereppel bírnak. - Záróréteges térvezérlésű tranzisztorokat nem használnak logikai áramkörökben. - Szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok (IGFET = Field Effect Tranzistor) napjainkban az integrált áramkörök egyik legfontosabb alapelemei. [Magyar elnevezésüket és az angol betűszót felváltva fogjuk használni] Feszültségvezérelt eszközök, e miatt és jó néhány kapcsolástechnikai fogás miatt teljesítményfelvételük kicsi. Jó néhány alaptípusuk létezik. A további tárgyalásunk szempontjából azonban csak két tulajdonságra összpontosítunk, és a jelölés módjukat is a felhasználás szempontjai szerint választjuk. A részletesebb megoldások iránt érdeklődőknek a magyar nyelven is bőségesen elérhető, a félvezetők részletes felépítését tárgyaló irodalmakat ajánljuk. A ma használatos elemek közül a legfontosabb típusok. - N-csatornás szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztornak, röviden, de nem pontosan n-fet-nek (a MOS technológiában a növekményes típusokat használják) említjük a pozitív feszültségre nyitó, alacsony (0) szintre záró típust. Rajzjeleként a 19.a. ábrán szereplő szimbólumot fogjuk használni. - p-csatornás szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztornak p-fet-nek említjük a pozitív feszültségre záró, alacsony (0) szintre nyitó típust. Rajzjeleként a Dárf.19.b. ábrán szereplő szimbólumot fogjuk használni. a b Dárf.19 ábra. Digitális áramkörökben használt n-fet és p-fet elemek elvont rajzi jelölései Ezeket az egyszerűsítéseket, a tárgyalásokat és az alapvető megértést könnyítendő, annak tudatában tesszük, hogy ma már a legtöbb katalógus is így hivatkozik rájuk. Részletesebb Dárf /48

15 jelölésük, és működésük a félvezető tervező mérnök dolga. Egy átlagos, a digitális technikával hivatásszerűen foglalkozó mérnöknek ezeknél, részletesebb ismeretre többnyire nincs is szüksége. - A tirisztorok és a triakok nagy áramok kapcsolására szolgáló eszközök. Elvileg velük is lehetne logikai kapcsolásokat felépíteni, ilyen alkalmazásuk azonban csak teljesítmény meghajtási körökben, egyszerű kapu feladatokra korlátozódik. - Egyéb félvezető alapú kapcsolások. Az integrált áramköri technikát kihasználva létre hoztak olyan kapcsoló elemeket is, melyek eltérnek a ma főleg használatos tranzisztor technikáktól. Elsősorban az úgynevezett ion injektált logikát kell említeni, mely egy speciális, csak integrált kivitelben létrehozható kapcsolás technika. Nagy sebességű és kis fogyasztású nagy integráltsági fokú áramkörök készíthetők belőlük. Hátrányuk a bonyolult gyártástechnológia és az, hogy a tranzisztoros logikával csak külön illesztőáramkörök felhasználásával kapcsolhatók össze. Ezeket természetesen beépítik, az e technológiával készülő áramkörökbe. Egyes gyártók által jelenleg is fejlesztett és forgalmazott technológia, nagyintegráltságú áramkörök kialakítására. Használatakor semmi különleges tennivalónk nincs. Egy időben nagy reményeket fűztek a használatához. Gyártása bonyolult, ezért alkalmazása a folyamatosan nagyléptékben fejlődő MOS technológia mellett háttérbe szorult. - Optikai elven működő logikai elemek. A félvezető technológia eredményeire támaszkodva számtalan Opto-elektronikai és tisztán optikai kapcsolókon alapuló megoldást dolgoztak ki. Opto-elektronikai kapcsolók alkalmazásával helyenként foglalkozni fogunk, míg a tisztán optikai elemek felépítése és használata más tárgy témakörében kerül tárgyalásra. Természetesen a logikai kapcsolatok felépítésére vonatkozó ismeretek ott is érvényesek. Az áramköri megvalósításokat, a kapcsolástechnika függvényében, két nagy családra bontjuk: - Nagy szinttel dolgozó, úgynevezett telítéses logikákra - Differenciál módú logikákra. Ebben a fejezetben csak a telítéses logikák kapcsolásaival foglalkozunk. Ezek használata az elsősorban elterjedt. Ma már sebességben, különösen a félvezető lapkán, jóval kisebb disszipáció mellett elérik a differenciál módú logikák sebesség tartományait. A differenciál módú logikák, pl. EL használatával kapcsolatban a szakirodalomra, és a katalógusokra utalnék. Dárf /48

16 Dárf Egytípusú, szigetelt vezérlő elektródájú tranzisztorokból felépített logikai kapcsolások A szigetelt vezérlő elektródájú térvezérlésű tranzisztorok, megfelelő bekötés esetén (nagy értékű) ellenállásként is használhatók. Ezt a tulajdonságukat kihasználva hozták létre az első kapcsolásokat először p csatornás, majd a technológia fejlődésével a gyorsabb n csatornás térvezérlésű tranzisztorokból. Belőlük lettek kialakítva az első nagyintegráltságú elemek. Az első időben ezek a kapcsolások 2 vagy 3 tápfeszültséget igényeltek. pl. az n csatornás típusok +5, +12, és 5 V-t. Ez a tény, különösen a bemenetekre veszélyes 5 V jelenléte kellemetlen volt, mindenesetre ebben a három tápfeszültségű rendszerben készült és aratott nagy sikert, az első tömegméretben alkalmazott 8 bites mikroprocesszor, az Intel cég 8080-s típusa 1973-ban. Az első, forgalomba is került 8 bites mikroprocesszor, a holdra szálláshoz kifejlesztett Intel 8008 még +5, -9V-t kívánó p csatornás technológiával készült ben. Kereskedelmi forgalomba került 1971-ben. Később a technológia fejlesztésével egy tápfeszültséget (+5 V) kívántak az n csatornás nagyintegráltságú elemek. Számtalan ma is forgalomban lévő mikroprocesszor készül n csatornás térvezérlésű tranzisztoros kapcsolás technikával. Pl. az egyik legjobb 8-bites processzor, a Z-80-as. Az egytípusú térvezérlésű tranzisztorokkal felépített kapcsolásokból alap áramkörök és közepes integráltságú elemek nem voltak forgalomban, így csak a legalapvetőbb kapuk kapcsolásait mutatjuk be. Dárf Inverter: A föld felé egy záró működésű tranzisztor van beépítve. A tápfeszültség felé egy ellenállásnak kapcsolt tranzisztor. Amennyiben a bemenetre 0 szintet kapcsolunk, a tranzisztor le van zárva, és a kimenetre az R m ellenálláson keresztül, a tápfeszültség által megszabott szint kerül. A kimenet feszültsége, az átfolyó áramtól függ. Ha a bemenetre magas szintet kapcsolunk, a tranzisztor kinyit, vagyis záródik a kapcsoló, a föld felé áram folyik. Az áram két részből tevődik össze. Egyrészt az R m munkaellenálláson átfolyó áramból, másrészt a terhelő kapcsolások által felvett áramból. A kimenet feszültsége a bekapcsolt tranzisztor maradék ellenállásától és az átfolyó áramtól függő, kis értékű maradék feszültség. Fontos megjegyezni, hogy minden logikai kapcsolásra megadják, a kimeneti szintek függvényében, a helyes működéshez még megengedhető, maximális terhelő áramot. 20. ábra. + + R m Ki Ki=Be Ki Be mozgatás vezérlése Be Dárf.20. ábra. n csatornás FET-el kialakított INVERTER. Helyettesítő képe és az áramkör valós kapcsolása, a munkaellenállásnak kötött FET kihangsúlyozásával. Dárf /48

17 Dárf ÉS-NEM (NAND) kapu: Sorba kötjük a bemenetszámnak megfelelő számú tranzisztort, és a sor alsó pontját a földhöz, felső pontját a kimenethez kötjük. A magas szintet itt is a kimenet és a tápfeszültség közé épített ellenállásnak kapcsolt FET biztosítja. Ha bármelyik bemeneten alacsony szint van, az általa vezérelt tranzisztor lezár, a kimeneti pont a felhúzó ellenálláson folyó áram hatására magas szintre kerül. Amikor az összes bemeneti tranzisztort a magas szintű vezérlő jelek kinyitják, a kimenet a fölhöz közeli potenciálra kerül, teljesül a kapu logikai feladata. A kimeneti feszültségekre és áramokra az inverternél elmondottak az irányadók. Dárf.21. ábra. + Ki A B 21. ábra. n csatornás FET-el kialakított ÉS-NEM kapu Dárf VAGY-NEM (NOR) kapu: Most párhuzamosan kötjük a földágban lévő tranzisztorokat. Az ellenállást az eddig megismerttel azonosan használjuk. Ha mindegyik bemeneten alacsony szint van, lezár az összes tranzisztor, a kimenet magas szintre kerül. Amennyiben bármelyik bemenet magas szintű vezérlést kap, kinyit a hozzá tartozó tranzisztor és a kimenet alacsony szintre kerül. Áramok és szintek a fentebbiek szerint. Dárf.22. ábra. Látható, hogy az aktív elektronikai hárompólusokkal kialakított összes alapkapcsolás invertáló jellegű. ÉS, illetve VAGY függvény létrehozásához, még egy sorba kötött inverterre van szükségünk. Az összetettebb kapcsolások kialakítása a következő fejezetben bemutatottak értelemszerű alkalmazásával előállítható. + A B Ki Dárf.22. ábra. n csatornás FET-el kialakított VAGY-NEM kapu Dárf /48

18 Dárf Áteresztő kapu (transfer-gate): A térvezérlésű tranzisztorok egy érdekes és a gyakorlatban hasznos alkalmazása az áramutas logikának kötött FET. Ekkor a kapcsolások lényegileg megegyeznek a relés kapcsolásoknál elmondottakkal. Szint helyre állítására az előzőleg bemutatott invertert, vagy egyéb kaput használnak. Példaként egy, kettőről az egyre multiplexert mutatunk be. Dárf.23. ábra. I 0 + A Ki I 1 Dárf.23. ábra. Kettőről az egyre multiplexer kialakítása áteresztő kapunak kötött n csatornás FET-el Dárf Kiegészítő kapcsolós (MOS) logikák: Dárf Inverter: A kétféle vezérlésű IGFET-eket kihasználva, lehetséges olyan kapcsolások kialakítása, ahol csak kapcsoló üzemű tranzisztorokat használunk, és nincs a kapcsolásban ellenállás. Az alapelvet az Inverter kapcsolásán, ideális kapcsolókat feltételezve mutatjuk be. A kapcsolás két közös vezérlésű kapcsolóból épül fel. A záró kapcsolót a föld és a kimenet közé, míg a nyitó kapcsolót a kimenet és a tápfeszültség közé kötjük. Ha a bemenetre alacsony szintet vezetünk, az alsó kapcsoló zárva, a felső nyitva van és a kimenetre a magas szint, vagyis a tápfeszültség kerül. Amikor a bemenet magas szintű az alsó kapcsoló kinyit, felső lezár, a kimeneten az alacsony szint, a föld jelenik meg. Dárf.24.a. ábra. Látható, hogy a kapcsolás alap kérdése, a 0 idő alatt történő átkapcsolás, vagyis, hogy a felső és az alsó kapcsoló egy időben ne legyen nyitva, mert ekkor a tápfeszültség és a föld között korlátozás nélküli áram folyna, az eszköz tönkre menne. A valós IGFET-ek működési karakterisztikája megoldja ezt a kérdést. Egy valós vezérelt FET úgy viselkedik, mint egy változtatható ellenállás, melyet a kikapcsolt értéktől, tulajdonképpen igen nagy, több MΩ -s értéktől a teljes bekapcsolásig, néhányszor 10 Ω-ig változtatunk. A két IGFET ellenállása ellentétesen változik, így az átkapcsolás során mindig van egy jelentős áramkorlátozás a föld és a tápfeszültség között. Ezt a helyettesítést, a Dárf.24.b. ábrán mutatjuk be. Ferdén vonalkázva a szigetelőből készült közös mozgató kart jelöltük. A ma használatos rajzi elemekkel a Dárf.24.c. ábra mutatja az Inverter kapcsolását. Az elmondottak alapján rögtön látszik a kiegészítő (komplementer) kapcsolós megoldás egyik előnye: Állandósult állapotban maga a kapcsolás nem vesz fel teljesítményt, csak az átkapcsolás alatt. A kimenet a két szinttartományban egyformán viselkedik. Dárf /48

19 Táp kapcsoló mûködtetés Be Ki a Táp Táp Be közös mozgatás vezérlés R felsõ Ki R alsó Be Ki b c Dárf.24. ábra. Kiegészítő kapcsolós (MOS) INVERTER felépítése és helyettesítő kapcsolásai A bemutatott technológiát (kapcsolást) MOS-nak nevezzük. Ez egy történelmileg kialakult név. omplementer Metal Oxid Semiconduktor Kiegészítőkapus fém oxid félvezető szerkezet. Kezdetben, a szigetelt vezérlő elektródájú tranzisztorok szigetelőanyaga szilícium dioxid SiO 2, vezérlő elektródája alumínium Al anyagú volt. Ma már más anyagú, többnyire SiN 3 (szilíciumnitrid) a szigetelés, és polikristályos Si (ami ugye félvezető anyag) a vezérlő elektróda. A név azonban megmaradt, és általánosan használatos. A MOS szerkezet fizikai felépítését a Dárf.25. ábrán mutatjuk be. Bemenet Kimenet V DD Poliszilicium gate Védõüveg n+ n+ p+ p+ n-csatorna p-csatorna n-típusú szubsztrát süllyesztett vastagoxid Dárf.25. ábra. MOS Inverter (félvezető) fizikai megvalósítása. Dárf /48

20 Dárf ÉS-NEM (NAND) kapu: A föld ágban sorba kapcsolt n csatornás tranzisztorok, a tápfeszültség ágban ugyanazokkal a bemenőjelekkel vezérelt párhuzamosan kötött p csatornás tranzisztorok helyezkednek el. Amikor bármelyik bemeneten alacsony színt van, a hozzátartozó n csatornás tranzisztor lezár, és a p csatornás tranzisztor kinyit. A felső ágban áram folyhat, a kimenet magas szintre kerül. Ha mindegyik bemenet magas szintű, a soros ág minden tranzisztora bekapcsol, egyúttal a felső ág minden tranzisztora lezár, a kimenet alacsony szintű lesz. Dárf.26. ábra. A kapcsolás teljesítményt csak az átkapcsolás alatt vesz fel. + A Ki A*B B Dárf VAGY-NEM (NOR) kapu: Dárf.26. ábra. MOS NAND kapu kapcsolási rajza Most a kapcsolás az előző felépítés tűkörképe. Az alsó párhuzamos (Vagy-nem) ágban n csatornás, a felső soros ágban p csatornás tranzisztorokat építenek be. Most, ha bármelyik bemenet magas szintű, a hozzá tartozó n csatornás tranzisztor, az alsó ágban kinyit, a felső ágban levő p csatornás tranzisztor lezár, és a kimenet alacsony szintre kerül. Ha mindegyik bemenet alacsony szintű, az összes alsó tranzisztor lezár, a felsők kinyitnak, és a kimenet magas szintre kerül. Dárf.27. ábra. + A B Ki A+B Dárf.27. ábra. MOS NOR kapu kapcsolási rajza. Dárf /48

21 Dárf Összetett szerkezetű kapuk, az ÉS-VAGY-NEM kapu: A MOS kapcsolástechnika lehetővé teszi összetett szerkezetű kapuk kialakítását is. Előnyük a kevesebb egymás utáni fokozat, így a bemenet-kimenet közti végrehajtás ideje kisebb lesz, és felépítésük kevesebb tranzisztort igényel. Példaként a 2x2 bemenetű ÉS-VAGY-NEM kaput mutatjuk be. A föld ágban, a kapuk sorrendjének megfelelően, sorosan kapcsolt n csatornás tranzisztorok vannak, a VAGY funkciónak megfelelően, párhuzamosan kapcsolva. A tápfeszültség ágban az alsó ág kiegészítő kapcsolása, a sorosan kapcsolt párhuzamos, p-csatornás tranzisztorok találhatók. Dárf.28.ábra. Ugyanezen az elven természetesen megvalósítható VAGY-ÉS-NEM kapu is. Ennek felrajzolását az olvasóra bízzuk. + D Ki A A*B+*D B Dárf.28. ábra. A B + D ÉS-VAGY-NEM kapu kapcsolása a MOS technikában Dárf Áteresztő kapu (transfer-gate) megvalósítása: A MOS kapcsolástechnika nagyon fontos eleme, a soros kapcsolóként (áramlogika) használható áteresztő kapu. Használatával a reléknél megvalósított, és a feszültség logikai kapcsolások előnyösen kombinálhatók, és számtalan más megoldásnál egyszerűbb kapcsolás alakítható ki. Az áteresztő kapu megvalósításához a kisebb csatorna ellenállás megvalósíthatósága miatt - két darab párhuzamosan kapcsolt tranzisztort, egy n, és egy p csatornást használunk fel. Mivel a két típus ellentétes vezérlés hatására nyit ki, illetve zár le, most az egyforma működtetés érdekében a két tranzisztort, egy inverter felhasználásával ellentétesen vezéreljük. A kapcsolást, a Dárf.29. ábrán mutatjuk be. Ennél az elemnél lényeges ismertető adat a bekapcsolt áramkör csatorna jellemzői, ellenállása, árama. Az önálló elemként kapható áteresztő kapuval jellemzően néhány milliamperes áram kapcsolható. A digitális áramkörök belsejében használatos áteresztő kapuk ellenállása néhány kω, ez itt teljesen megfelelő. Az átfolyó áram is jellemzően a néhány, illetve a 10 µa-s tartományban mozog. Az analóg áramkörökben használatos áteresztő kapuk ellenállása néhányszor 10 Ω, különleges típusoknál néhány Ω, esetleg tized Ω nagyságrendjébe esik. Fontos jellemző még, hogy az analóg célra használatos áramkörök a földszimmetrikus jelátvitel miatt (többnyire) negatív tápfeszültséget is igényelnek. A kapcsolt jel csúcsértékeinek a tápfeszültségeknél kisebbnek kell lennie. Dárf /48

22 Vezérlés Dárf.29. ábra. áteresztő kapu (transfer-gate) kialakítása. Dárf Adatirányító kialakítása áteresztő kapu felhasználásával: Az adatirányító elvi felépítése megegyezik az áram logikánál bemutatott elvvel, csak itt most a soros ágban áteresztőkaput használunk. A kiválasztásra szolgáló bitekkel tulajdonképpen megcímezzük multiplexernél a kívánt be, demultiplexernél a kimenetet, és a kiválasztott kapuk bekapcsolásával biztosítják a soros adat utat. Az áteresztőkapu mindkét irányba vezet, így könnyedén kialakítható az analóg multiplexer/demultiplexer áramkör, ahol a kinyitott kapu átmeneti ellenállását igyekeznek kisebbre megvalósítani a tisztán az áramkör belsejében működő, digitális célú áramkörökben használttal szemben. A Dárf.30. ábrán az analóg kapcsolást mutatjuk be. Digitális áramkörhöz, a bemenetre és a kimenetre kapcsolt inverterekkel jutunk. Ezek bekötési iránya megszabja az áramkör funkcióját. A MOS kapcsolástechnikában, mint azt látni fogjuk, sokféle alkalmazásnál használjuk fel az áteresztő kapus multiplexereket. Az analóg célú használathoz, földhöz képest szimmetrikus jelek átvitele szükséges. Ehhez az analóg multiplexerek két (+, -) tápfeszültséget igényelnek. Az egy tápfeszültségről táplált kapukat a negatív polaritású jel lezárja. Teljesen lineáris átvitel, csak a katalógusban megadott, a tápfeszültséget korlátozottan megközelítő jelszintekig van. I 0 I 1 Y I 2 I 3 A B Dárf.30. ábra. Áteresztő kapukkal megvalósított, analóg jelre is használható adatirányító. Dárf /48

23 Dárf AZONOSSÁG (EKVIVALENIA) és KIZÁRÓ-VAGY (EXOR) kapu megvalósítása áteresztő kapu felhasználásával: A multiplexer sajátos alkalmazása az EKVIVALENIA, és negáltja a KIZÁRÓVAGY kapu MOS-beli megvalósítása. Mindkét függvénynél az egyik bemenettel választjuk ki, hogy a másik bemenet ponált, vagy negált értéke kerüljön, a kimenetre. A két bemenet viselkedése a kimenet szempontjából teljesen szimmetrikus. A két féle függvény megvalósítása, csak abban tér el, hogy a bemeneti invertert, melyik ágba kötjük. Dárf.31. Dárf.32. ábrák. B A A B Dárf.31. ábra. EKVIVALENIA kapu kialakítása B A A B Dárf Ellenütemű meghajtó Dárf.32. ábra. EXOR kapu kialakítása Bizonyos alkalmazásoknál, pl. dekóderek, memóriacímző áramkörök, stb. kívánatos, hogy egy erősített jel és a negáltja egyidejűleg változzon. Vagyis a jel és a negáltja között ne legyen időkésés. Ami az általánosan használt invertereknél természetesen fennáll. Ezt egy különleges felépítésű elemmel az úgynevezett ellenütemű erősítővel lehet elérni. Az áramkört és a jelképi rajzát a Dárf.33 ábrán mutatjuk be. Az elemmel kapcsolatban meg kell jegyezni, hogy a kimeneti jelszint statikus értéke és a jelregeneráló hatása rosszabb, mint a normál inverteré, de mivel ezt az elemet ilyen formájában csak az áramkörök belsejében használjuk, az előnyök nagyobbak, mint a hátrányok. A rajzon az inverter jelölés hagyományos inverter kialakítást jelent. Dárf /48

24 A különleges felépítésű órajel meghajtó áramkörök között vannak forgalomban kiegyenlített kimenetű hasonló funkciójú áramkörök, de ott, az itt bemutatott megoldást még kimeneti erősítő követi. Az áteresztő kapus technikánál fontos az n és a p csatornás térvezérlésű tranzisztorok egyidejű vezérlése, ezért itt sűrűn használják az ellenütemű meghajtást. A rajzokon azonban ezt legtöbbször nem jelölik, és az ellenütemű meghajtó helyett csak két egymás után kötött invertert ábrázolnak. A tényleges megoldásokról többnyire csak a félvezető tervezőknek szóló irodalomból lehet tájékozódni. + JEL 1 JEL + JEL 1 Dárf.33. ábra. Ellenütemű meghajtó rajzi jelölése és felépítése Dárf Tároló tulajdonságú elemek. Dárf Hurokerősítő (Latch) kialakítása: A hurokerősítő, vagyis a kimenetről az egyik bemenetére visszakötött, kettőről az egyre multiplexer, illetve ÉS-VAGY kapu, fontos, aszinkron tároló elem. Önmagában kapuzott mintavételű tárként, úgynevezett latch-ként, nagy mennyiségben használatos. D Q D G Q G Dárf.34. ábra. Áteresztőkapuval megvalósított hurokerősítő fizikai kialakítása és logikai kapcsolása Dárf /48

25 Dárf Órajeles D tároló (flip-flop) kialakítása: Latchek felhasználásával alakítható ki a ma legnagyobb tömegben gyártott órajel vezérelt tároló elem, a D flip-flop. A D flip-flop felépítéséhez két elemi tárolóra, latchre van szükség. A két elemi tárolót egymás után kapcsolva, és ellentétes fázisú órával vezérelve, kapjuk a kimenetéről a bemenetére most már akár szabadon visszaköthető tároló elemet, a D Flip-flopot. Mint látható ez a kapcsolás tulajdonképpen egy MASTER-SLAVE szerkezet, de mivel az élvezérelt és a Master-Slave megoldás az egy vezérlő bemenetű tárolóknál, külső vizsgálattal nem különíthető el, a gyakorlatban élvezérelt tárolóként kezeljük. A Dárf.35. ábrán bemutatott kapcsolás tartalmazza az aszinkron beíró és az aszinkron törlő bemenetek megvalósítását is. Az ábrán szereplő ÉS-NEM kapuk VAGY-NEM-re cserélésével magas szinten hatásos aszinkron bemenetű megoldást kapunk. Amennyiben nem szükséges az aszinkron bemenet használata, a kapuk helyett egyszerű invertert használunk. A Master és a Slave rész áteresztőkapuinak vezérlése át nem lapolódó órajelet kíván. Ezt az egymás után kötött inverterek önmagukban nem biztosítják. Megoldásként a Mintavételezett tárolók fejezetben bemutatott fázishasító erősítő és a MOS áteresztő kapu meghajtási kívánalmai miatt a Dárf alatt bemutatott ellenütemű meghajtó együttes alkalmazásával, (vagy a fázishasító ennek megfelelő kialakításával) érik el. A katalógusok erről a megoldási részletről többnyire hallgatnak. (Végül is ez a gyártó saját, gyártástechnikai ügye.) A MOS kapcsolástechnikában a más típusú tárolót is többnyire a D tároló felhasználásával alakítják ki, valamint összetett alkalmazásokban számtalan regisztert használnak, ezért a D flip-flop a legnagyobb számban megvalósított tároló kapcsolás. PRESET D Q LEAR Dárf.35. ábra. Áteresztőkapukkal megvalósított, felfutó él vezérelt D tároló, aszinkron beírással és törléssel. Dárf /48

26 Dárf J-K tárolók megvalósítása D tároló felhasználásával: A D tároló kimeneteinek vezérlőjelként való felhasználásával, a pillanatnyi állapotból az ellenkező irányba billentő bemenet engedélyezésével alakítják ki. Eltérés a felépítésben, csak a két megoldás igazságtáblájából következően és a kétféle óraél, gyakorlatban elterjedt megoldási szokásából adódik. Dárf.36., Dárf.37. ábra. PRE J K TG TG Q LK TG TG Q LR Dárf.36. ábra. Hátsó (lefutó) él vezérelt J-K tároló PRE J K TG TG Q LK TG TG Q LR Dárf.37. ábra. Felfutó él vezérelt J K tároló Számláló és egyéb áramkörök kialakításakor bizonyos esetekben igen előnyösen alkalmazható a T tároló. Kialakítását vagy a J-K két vezérlő bemenetének az összekötésével, vagy a D vezérlőbemenetre kötött KIZÁRÓ-VAGY kapu egyik bemenetének a Q kimenetről való vezérlésével érik el. Ekkor a másik bemenet adja a T vezérlés lehetőségét. Ha figyelmesen megvizsgáljuk a két megoldást, látható, hogy ugyanarról a kapcsolásról van szó. A kapcsolások lerajzolását az olvasóra bízzuk. Megjegyzendő, hogy T tároló, mint elemi tároló, az alap áramköri sorozatoknál nincs forgalomban. Dárf /48

27 Dárf Dinamikus tároló elem kialakítása: A térvezérlésű tranzisztorokból megvalósított kapcsolásoknál tárolást nem csak flipflopokkal, hanem kondenzátoron tárolt töltéssel is meg lehet valósítani. Előnye a kis helyszükséglet, hátránya, hogy csak a kondenzátor kisüléséig őrződik az információ. Az ilyen tároló elemeket időnként újra tölteni, frissíteni kell, ezért ezt a megoldást dinamikus tárolónak nevezik. Jellemzője a léptetést szolgáló minimum kétfázisú órajel, (Dárf.38. ábra.) és a teljes körre történő visszacsatolás. A teljes áramkörre példát, a regiszterek fejezetben mutatunk be. I X Dárf.38. ábra. Dinamikus léptetőregiszter egy cellájának a felépítése. Dárf MOS áramkörök kimeneteinek a megvalósításai: Az eddig bemutatott kapcsolási megoldások megvalósítják a logikai függvényeket és egyéb elemeket. A MOS kialakítás nagy előnye, az egyszerű szerkezetű kialakítás miatt, a kis helyigény, és a feszültségvezérlés miatt, a rendkívül kicsi energia felvétel. A Nagyon kis méretű tranzisztorok azonban igen kicsiny áramok szállítására képesek. Az I belsejében elégséges a néhány µa is. Más a helyzet a kimeneteknél. Itt azonos típuscsaládba tartozó, vagy más típuscsaládba tartozó, illetve bizonyos esetekben külső terhelések igényeit is kielégítő ma 10 ma nagyságrendű áramot is kell szolgáltatnia a kimenetnek. Ezenkívül speciális megoldások szükséglete is felléphet. Mindezen követelmények teljesítésére dolgozták ki a kimeneti meghajtó áramköröket. Az általános feladat a nagy áram szállítás követelménye széles, és rövid tranzisztorokat igényel. Ez egyrészt nagy helyfoglalási igényt jelent, másrészt a nagy vezérlő felület, egyúttal nagy kapacitást is jelent. Ennek a vezérlés által megkívánt feltöltése időigényes, emiatt a kimeni meghajtókon a jelkésleltetési idő nagyságrenddel nagyobb, mint az áramkör belsejében lévő kis méretű elemeken. A legelső, ma is kapható 4000-s sorozatnál ez ns volt, a mai átlagos MOS kapuk kimeneti meghajtóinál ns, a leggyorsabb F soroknál jó néhány kiegészítő elem alkalmazásával néhány ns. Az áramkörök belsejében, a gyors technológiai soroknál, egy kapu késleltetési ideje már 100 ps alatt is van. Dárf Ellenütemű (TOTEM-POLE) kimenet: A leggyakrabban használt kimenet mindkét irányban (alacsony, illetve magas szint) azonos terhelhetőségű, csekély maradékfeszültségű meghajtást biztosít. Felépítése lényegileg egy nagy méretű tranzisztorokból kialakított inverter. A meghajtása a logikai kapuktól több egymás utáni, fokozatosan növekvő fizikai méretű inverteren keresztül történik. A legkorszerűbb soroknál a kimeneti tulajdonságok javítása végett, a meghajtó már a térvezérlésű tranzisztorokon kívül tartalmaz bipoláris tranzisztorokat is. Ez az úgynevezett BiMOS (kombinált bipoláris MOS) technológia. A hagyományos MOS Totem-pole kimenet rajza megegyezik egy inverterével, ezért a Dárf.39. ábrán a korszerű BiMOS kimeneti meghajtó vázlatos felépítését mutatjuk be. Dárf /48

28 Totem-pole kimenetet más Totem-pole kimenettel összekötni tilos! Ugyanis bármikor egyszerre nyitva lehetnek az ellentétes ágban lévő kimeneti tranzisztorok, rendkívül nagy áram folyik, minek következtében a kimenetek tönkre mennek. Ez alól egy eset kivétel, ha az egy tokban lévő, és azonosan vezérelt kapuk kimenetét kötjük össze, akkor az áram meghajtó képességek összeadódnak, lényegileg szigorúan egyforma tranzisztorok párhuzamos kapcsolásával teljesítménynövelést hajtunk végre. V ~ ~ ~ ~ Dárf.39. ábra. BiMOS Totem-pole kimenet megvalósítása Dárf sak egyik irányban kapcsolót tartalmazó kimenetek: Bizonyos alkalmazásokban szükségünk van arra, hogy a kimenetünket más kimenettel összeköthessük, és a közös vonalat megfelelő szabályok szerint vezéreljük. A legrégebbi ilyen kapcsolásban, a földágban van csak tranzisztor, és a magas szintet a kijárat és a táp közé kapcsolt ellenállással biztosítjuk. Hagyományosan ezt a kapcsolást nyitott kollektorosnak nevezzük, ugyanis még az egyedileg használt bipoláris tranzisztorok használatával kialakított, legrégibb aktív áramkör. A kimenetre párhuzamosan, másik azonos típusú kimenettel szabadon kapcsolódhatunk. Ha bármelyik kimenet tranzisztora aktív (be van kapcsolva, vagyis vezet), akkor a kimenet alacsony szintű, és mellette egy akármilyen állapotú másik kimeneti tranzisztor működhet. Amennyiben az összes, egy vezetékre kötött tranzisztor lezár, a kimeneti vonalat az ellenállás magas szintre húzza. A vezetékkel való összekötés, és az elmondottak miatt ezt a megoldást huzalozott ÉS kapcsolatnak nevezik. Gyakoribb azonban a negatív logikai megnevezése, a huzalozott VAGY kapcsolat. Vagyis bármelyik bemenet aktív a kimenet aktív, vagyis alacsony. Ez a szemlélet, mivel a nyitott kollektoros alkalmazások (MOS-ban open drain) nagy része, sínrendszerek kialakítására szolgál, az elterjedtebb. Dárf.40. ábra. A másik lehetséges megoldás a huzalozott kapcsolat kialakítására, hogy a kimeneten csak a felső ágban van tranzisztor és az alacsony szintet, a föld felé bekötött ellenállás szolgáltatja. ez a nyitott emitteres, itt open source kimenetű áramkör. Dárf.41. ábra. Alkalmazása újabban a kifejezetten nagy sebességű áramköri síneknél újra terjed. Mindkét kimenet vezérlése megengedő VAGY jellegű! Dárf /48