11.2. A FESZÜLTSÉGLOGIKA Ma a feszültséglogika számít az uralkodó megoldásnak. Itt a logikai változó két lehetséges állapotát két feszültségérték képviseli. Elvileg a két érték minél távolabb kell, hogy legyen egymástól a biztonságos működés végett. A logikai nulla állapotnak megfelelő feszültség rendszerint nem pontosan nulla Volt, hanem annál valamennyivel több, a logikai egyes állapotnak meg a tápfeszültségnél valamennyivel kisebb feszültség felel meg. FESZÜLTSÉGSZINTEK LÉTREHOZÁSA KAPCSOLÓTRANZISZTOROKKAL Az ábra kapcsolótranzisztorral és ellenállásokkal megépített egyszerű megoldást (logikai inverter) mutat a logikai szintek létrehozására. A logikai inverter egy jobb megvalósítását mutatja az alábbi ábra. A magas logikai szintnek megfelelő kimeneti feszültség nem annyira érzékeny a terhelésre (nagyobb áramot tud adni, mint a korábbi egyszerű megoldás). MOSFET- ekkel épített logikai áramköröknél a feszültségszinteket az alsó és a felső MOSFET felváltva történő bekapcsolásával kapjuk. BIPOLÁRIS TRANZISZTOROKKAL MEGVALÓSÍTOTT LOGIKAI ELEMEK Az első digitális integrált áramkörcsaládokat bipoláris tranzisztorokkal építették. Mára a bipoláris megoldások háttérbe szorultak.
Az első bipoláris áramkörcsalád TTL (transistor- transistor- logic) név alatt vált ismertté. Az SN7400 típusú TTL NAND kapu belső szerkezetét az ábrán láthatjuk. NMOS ÉS CMOS LOGIKAI ELEMEK Logikai elemek építhetők csak N csatornás-, vagy csak P csatornás MOSFET- ek és ellenállások felhasználásával. Pl. az alábbi ábra NMOS NOR kapcsolást mutat. A CMOS kapcsolások ugyanazon a szilícium lapon P csatornás és N csatornás MOSFET- eket kombinálnak. Az ábra CMOS NAND kapu kapcsolási rajzát mutatja. ECL LOGIKAI ELEMEK Az ECL (emitter coupled logic) logikai áramkörök nagy sebessége annak köszönhető, hogy nem hozzák a kapcsolótranzisztorokat mindkét véghelyzetbe. A kikapcsolt állapotot a szokásos módon alkalmazzák, de a bekapcsolás csak részleges (aktív üzem, telítés helyett), így a vezetésből lezárásba történő áttérés gyors. Az alábbi ábra CMOS VAGY ill. NOR kapu kapcsolási rajzát mutatja.
AZ ÁTVITELI JELLEGGÖRBE A különböző tranzisztoros logikai kapcsolások általában véghelyzetben tartózkodnak, de időnként átmenetek jelentkeznek. Igyekszünk gyors átmeneteket megvalósítani, a feszültségváltozás mégis analóg jellegű. A bemeneti jeltartomány bármely értékére kiszámítható, ill. megmérhető a kimeneti feszültség. Így kapjuk pl. a korábbi CMOS inverter kapcsolásra az alábbi átviteli jelleggörbét (a ábra). Digitális alkalmazásokban természetesen a görbe középső része nem használatos. A b ábrán a TTL inverterre jellemző átviteli jelleggörbe látható. A BEMENETI ÉS A KIMENETI JELTARTOMÁNYOK Az egyes logikai szinteknek megfelelő kimeneti feszültségértékek nem túl pontosak, így konkrét feszültségértékek helyett inkább jeltartományokról beszélünk. A jeltartományokat a bemenetekre is meg kell adni. A kimeneti jeltartományok arra vonatkoznak, a kimeneten milyen feszültségértékek jelenhetnek meg. A bemeneti jeltartományok azokat az értékeket tartalmazzák, amelyeket az illető logikai áramkör szabályos logikai szinteknek tekint. A jeltartományok áramkörcsaládtól függőek. Az alábbi ábrán a TTL és az 5 V- os táplálású CMOS áramkörcsaládok jeltartományait vázoltuk. Tekintettel a CMOS áramkörök átviteli jelleggörbéjénél tapasztalt szimmetriára, a bemeneti és a kimeneti tartományok szimmetrikusan helyezkednek el a tápfeszültség felezőpontjához képest. A TTL áramköröknél jelentős az aszimmetria.
ZAJTŰRÉS Amint láttuk az előző pontban, a digitális áramköröket úgy tervezik, hogy a kimeneti logikai szintek szűkebb tartományban mozogjanak, mint a bemeneten elfogadhatónak tekintett tartományok. A megfelelő értékek közötti különbségeket zajtűrésnek nevezzük. Az alacsony logikai szint esetén a zajtűrés a következő képlettel számítható:!"!"# =!!"#$%!!"#$% Magas logikai szint esetén viszont a következő a zajtűrés:!"!!"! =!!"#$%!!"#$%. A LOGIKAI SZINTEK KOMPATIBILITÁSA Minden egyes áramkörcsaládot úgy alakítanak ki, hogy a családon belül az áramkörök kompatibilisek legyenek: bármely kimenet meg tudja hajtani bármely bemenetet. Gond akkor jelentkezhet, ha nem egy áramkörcsalád képviselőiből építjük meg a digitális rendszert. Ilyenkor meg kell vizsgálni, hogy a tervezett összekötésben a kimenet meg tudja- e hajtani a bemenetet. Az ábrán megadott oszlopok a szabályos bemeneti és kimeneti feszültségtartományokat mutatják a különböző áramkörcsaládokra. Ezek összehasonlításával eldönthető a kompatibilitás kérdése. A HARMADIK ÉS NEGYEDIK ÁLLAPOT Normális esetben a logikai kimenetek két értéket vehetnek fel: egyes vagy nulla. Vannak viszont olyan áramköri megoldások, amelyek lehetővé teszik egy harmadik-,
nem logikai állapot alkalmazását. A harmadik állapotot nagyimpedanciás állapotnak is nevezzük. Ilyenkor az illető kimenet úgy viselkedik, mintha nem lenne sehova se kötve. A harmadik állapot létrehozására az áramkörök külön vezérlő bemenettel rendelkeznek (E enable engedélyezés). Szokás negyedik állapotról is beszélni a digitális rendszerekben. Ezek lehetnek határozott, de számunkra ismeretlen értékek, vagy olyan köztes feszültségértékek, amelyekről nem lehet egyértelműen eldönteni, hogy melyik logikai szintnek felelnek meg. Ismeretlen értékek azért jelennek meg az analízisben, mert a bemeneti jelek megfigyelésének kezdetétől számítva el kell telnie bizonyos késési időknek, ahhoz, hogy a kimeneteken új, érvényes szintek jelenjenek meg. Köztes feszültségértékek a kimenetek túlterhelése esetén lehetségesek. A túlterhelés oka lehet kimenetek ütközése. Nem szokásos a digitális kimeneteket összekötni, de ha ez megtörténik, versenyhelyzet alakul ki a megfelelő tranzisztorok között. Egyrészt nagy áram jön létre a bekapcsolt tranzisztorokon keresztül, másrészt a kialakuló feszültség nem felel meg szabályos logikai szintnek (ábra). A KIMENETEK TERHELHETŐSÉGE (FAN- OUT) A digitális kimeneteket elsősorban arra alakítják ki, hogy digitális bemeneteket hajtsanak meg (ábra). A szerkezettől függően egy kimenetet jobban vagy kevésbé lehet megterhelni.
A megengedett terhelés mértékét kifejezhetjük milliamperekben, de inkább azt szokták megadni, hogy hány tipikus bemenet hajtható meg az adott kimenettel. Ezt nevezik fan- out- nak (elágazási szám). A digitális áramkörök többségénél a fan- out értéke 2-3- tól tízig szokott lenni. A terhelhetőség nem csak statikus értelemben definiálható. Különösen a CMOS áramkörökre jellemző, hogy a bemeneti kapacitások lassítják a logikai szintek váltását.